Дипломная работа по теме icon

Дипломная работа по теме


Смотрите также:
Дипломная работа по теме...
Дипломная работа посвящена актуальной теме Проблемы законности и механизм ее обеспечения в РФ...
Дипломная работа студента 544 группы...
Настоящая дипломная работа посвящена фольклору русским и чешским народным танцам...
Дипломная работа...
Дипломная работа...
Дипломная работа по теме...
Дипломная работа должна включать следующие разделы...
Дипломная работа по теме...
Дипломная работа по истории...
Дипломная работа...
Дипломная работа...



Загрузка...
скачать


Московский Государственный Университет им. М.В.Ломоносова
факультет Вычислительной Математики и Кибернетики
кафедра Алгоритмических языков






Дипломная работа по теме:


Реализация Интеллектуальной

обучающей системы

(учебное действие)


Студента 524 группы
Козлова Ю.Н.
Научный руководитель
н.с. Громыко В.И.


Москва, 2007.

Оглавление


Аннотация 4

1. Введение 5

1.1. Учебные курсы 5

1.2. Компьютерные практикумы 6

1.3. Градиент развития рациональной культуры 7

^ 1.4. Интеллектуальная обучающая система 8

1.4.1. ИОС как средство синтезирующей деятельности учащегося 8

1.4.2. Проектируемая обучающая система 10

2. Постановка задачи 11

3. Обзор существующих решений рассматриваемой задачи 12

^ 3.1. Архитектура ИОС 12

3.2. Функциональная схема 12

3.3. Предметная область 13

3.3.1. Учащийся как субъект 13

3.3.2. Предметная область (ПО) 13

3.3.3. Межпредметные связи 14

3.3.4. Учебное действие 15

4. Исследование и построение решения задачи 16

4.1. Соподчинение курсов 16

4.2. Организация ПО 16

4.3. Сужение и расширение предметной области 17

5. Описание реализации 19

5.1. Выбор технических средств 19

5.2. Функциональность программы и графический интерфейс 19

5.3. Использование JAXB 20

5.3. Сужение и расширение на основе выбранных пример-проблем 21

5.4. Работа со многими документами на предмет пересечения пример-проблем 22

6. Заключение 23

7. Благодарности 24

8. Список цитируемой литературы 25

9. Список литературы 26

Аннотация


Дипломная работа выполнена на спецсеминаре «Обучающие системы» в рамках проекта «Интеллектуальное компьютерное место учащегося». Проект поддержан грантами РФФИ.

Рассмотрены вопросы реализации интеллектуальной обучающей системы для базового обучения информатике в виде программного продукта

Результатом выполнения данной работы стал программный продукт, выделяющий учебный материал в соответствии с учебным действием. Также рассмотрен вопрос обеспечения использования курсов в системе на основе их синтеза. Конструктивно решен вопрос соподчинения однородных курсов и посредством иерархии учебного курса.


1. Введение


Быстрое развитие науки и техники и бурный рост информации, переход на новые технологии требуют от специалиста способности постоянного усвоения новой информации, непрерывного обновления и переосмысливания имеющихся у него знаний, гибкости и широты мышления, его творческой направленности. Развитию таких способностей и должна способствовать обучающая система.

С этой позиции одной из самых важных тенденций развития образования, в том числе, профессионального, является переход от концепций жестокого, авторитарного управления, где обучаемый выступает «объектом» обучающих воздействий, к системе организации, стимулирования и поддержки познавательной самодеятельности субъекта учения, созданию условий для творчества.

Базовое обучение информатике по-прежнему является открытым вопросом, но приобрело остроту из-за всеобщности информационного образования. Базовое обучение должно обеспечить знание, на основе которых возможно продвижение в использовании систем НИТ на профессиональном уровне.


^

1.1. Учебные курсы


Отметим ряд учебных курсов, которые добились достижений в обучении информатике. Курс А. Шень “Программирование: вводный курс, теоремы и задачи”, МЦНМО-95. Курс нацелен на обучение доказательному программированию на материале, составляющем основу дискретности. Это соответствует позиции в обучении, разработанное Н. Виртом под влиянием Ч. Хоара в: “Системологическое программирование. Введение”, Мир-77; “Алгоритмы + структуры данных = программы”, Мир-85; “Алгоритмы и структуры данных”, Мир-89. К тому же курс А. Шень дополняется современными лекционными курсами МЦНМО по согласованным разделам математики. Особый интерес представляют лекционные курсы Н. К. Верещагина и А. Шень: “Вычислимые функции”, МЦНМО-99; “Языки и исчисления”, МЦНМО-2000. Столь же концептуально состоятельно методическое пособие по новому школьному курсу “Информационная культура” под редакцией А. Г. Кушниренко, М. Г. Эпиктетова “Модуль: класс 9”, “Модуль: класс 10”, Дрофа-95. Отметим также курс (2000-2001гг) И. В. Поттосина “Практическое программирование” (соавторы М.М.Бежанова и Л.А.Москвина), обобщающий опыт новосибирской школы А. П. Ершова. В него входят “Приемы создания программ на языке Паскаль”, “Современные понятия и методы программирования”, “Структуры данных и алгоритмы”, “Визуальное программирование в среде Delphi”.

Из зарубежных базовых курсов информатики отметим два достижения: в Европе   M. Broy "Информатика. Основополагающее введение" в 4-ех частях, Германия 94-97гг; в Америке – R. L. Graham, D. E. Knuth, O. Patashnik “Конкретная математика. Основание информатики”, 1998.

Курс информатики M. Broy является естественным развитием курса информатики его учителя F.L.Bauer (Ф. Л. Бауэр, Г. Гооз “Информатика”, Мир-90, 1060стр.). В нем продолжается традиция приобщения к теоретическим обобщениям информатики и обнаруживается тенденция уже учить не компьютеру и даже не золотому фонду ЯП, а теоретическим основам сред информационного моделирования. Это соответствует современным требованиям к базовому обучению. Но в таких случаях курсы становятся огромными (учебник M. Broy содержит порядка 1200 стр.). Кроме того, многие теоретические вопросы вынуждено представляются без обоснования. Это противоречит развитию составного свойства рационального у учащегося – критичности, основанной на доказа-тельстве. Кроме того, наличие сегодня в информатике языков спецификаций, являющихся языками программирования (OBJECT, FOOPS) требуют включения в теоретические основы предмета современные разделы математики – упорядочено-сортные логики, язык категорий. В этом смысле, даже теоретические курсы (например, M. Broy), при всей их сложности, уже недостаточно теоретичны.

Курс информатики D.E. Knuth “Конкретная математика. Основание информатики” (700 стр.) является быстрее введением в дискретный и континуальный мир математики, который обслуживает информатику. Его главный недостаток, в отношении к информатике, очевиден – исчезло программирование.

^

1.2. Компьютерные практикумы


Обсуждение современного состояния проблемы будет неполным, если не обсудить существующие обучающие системы и тенденции компьютерных практикумов.

Анализ обучающих систем (например, пакета для вузов Российского НИИ информационных систем; пакета, представленного на конгрессе ЮНЕСКО 1996 г. "Информатика и образование") обнаруживает достижения в интерфейсе общения, а также в использовании графики для обучения. Но все это реализовано на уровне тренажеров или интеллектуального преподавания, обеспечивающего преодоление трудностей за счет обобщенного опыта учителя в данном предмете. Такие системы ориентированы на нашу способность к обучению. Что же касается моделирования сотрудничества учителя и ученика для обеспечения самоорганизации последнего, то здесь результаты редки. Например, к таким следует отнести всевозможные компьютерные курсы "Живая математика", "Живая физика", выполненные в московском институте повышения квалификации работников образования (ректор А. Л. Семенов). В них моделируются среды для познавательной деятельности обучаемого (использованы идеи С. Пейперта, Массачусетс). Но и в этих обучающих системах нет модели обучаемого, поэтому в отношении предметной области они не могут выйти за границы фрагментов предмета.

В качестве современного практикума обсудим пятую часть курса M. Broy (соавтор B. Rumpe) «Введению в информатику: сборник задач. Структурированное собрание упражнений с образцами решений», Научный мир, 2000. В нем наблюдается та же тенденция предоставления среды для исследования предмета (направление С. Пейперта). Для этого созданы новые или адаптированы существующие инструментальные пакеты. В этом ключе, покрываются темы – автоматы, анализаторы, рекурсивные вычисления и т.д. Но, конечно же, все это подается традиционно – без обучающей системы.

На наш взгляд сегодня проблемой эффективной помощи больше заняты в офисном программировании, где действуют контекстные мастера помощи. Кроме того, такие учебные курсы, как курс В.Т. Безручко, уже ориентированы на офисное программирование как на базовое обучение.

Итак, общее состояние проблемы в мире наблюдается таким:

  1. легко обнаруживается противоречие базового обучения - объемность и сложность предмета против ясного и обоснованного его представления для формирования рационального мировоззрения;

  2. выбирается метод РО для преодоления противоречия;

  3. при использовании компьютерных систем метод РО применяется только для фрагментов предмета.

Перспектива подхода, основанного на методе ГРОМ, состоит:

  1. в привлечении большого контекста о процессе научного познания, что позволяет выделить конструктивно реализуемые элементы;

  2. тем самым распространяем на объемный и синтезирующий предмет метод развивающего обучения (ГРОМ);

  3. в подходе ключевая роль отводится программированию: традиционному на ЯП, как понимательной деятельности, к которой мы приспособлены на основании первой грамотности; документно-ориентированному, как основе вхождения в парадигму ООП, являющейся сутью понимания сложных систем НИТ;

  4. в разработке ИКМУ для изучения информатики, которое преодолевает возникшие трудности в целях современного математического и информационного образования, в том числе, и для высшей школы.

Сейчас в данном проекте эксплуатируются следующие полученные ранее результаты:

разработанный метод обучения ГРОМ, ориентированный на понимательную деятельность учащегося и образованный увязыванием трех его составляющих – герменевтики, РО, РК (развивающаяся культура);

разработанная схема визуализации, которая допускает управляемую навигацию;

практический опыт реализации фрагментов ИОС.
^

1.3. Градиент развития рациональной культуры


Синтезирующая деятельность на ИС в границах ИТ, естественно, проявляется в целостном восприятии рациональной культуры через единство математики, программирования и информатики. В целях обучения – обеспечения самоорганизации учащегося по обобщающим смыслам – нас интересует градиент самоорганизации рациональной культуры. Так как ИТ обеспечивают упаковку знания на компьютере для исследования, то полагаем справедливым следующее:

НАМ → АМ → САМ.

Такова выбранная царская (градиентная) дорога для интеллектуального прорыва учащегося к рациональной культуре века систем. С точки зрения обучения возникает трудность – как сохранить онтологическое качество восприятия сложностей учащимся при его движении (сканировании) по обобщающим смыслам. Поэтому элементы предъявленной цепочки рассматриваются в целостной связи.

НАМ (наивный аксиоматический метод) соответствует аксиоматизации Евклида, которая рассматривается с такими предпочтениями: (i) занята единственной моделью (в этом наивность); (ii) представляет теорию, в которой рассмотрены конструктивные возможности циркуля и линейки; (iii) упаковка знания осуществлена средствами неформального вывода (пос­редством доказательства); (iv) может послужить интеллектуальному прорыву к пониманию доказательства как средства целостного восприятия предмета посредством связи понятий.

АМ (аксиоматический метод) соответствует алгебраической аксиоматизации Гильберта, которая рассматривается с такими предпочтениями: (i) язык логики используется как средство математического описания; (ii) теоретико-множественный рай Кантора (теория моделей) обеспечивает конкретное представление моделей; (iii) выявляется роль аналитики для построения моделей; (iv) упаковка знания осмысливается в границах аксиоматизации многообразий, квази­многообразий, исчисления предикатов; (iv) может послужить интеллектуальному прорыву к пониманию значения подходящей «реальной» модели для аксиоматизации (выявлением изоморфизма).

САМ (современный аксиоматический метод) соответствует аксиоматизации Гильберта, которая рассматривается с такими предпочтениями: (i) язык логики используется как средство вывода в формальной теории и естественного доказательства; (ii) комбинаторное программирование выступает как синтез метаматематики и метавычисления (смешанные вычисления); (iii) упаковка знания осуществлена неполными теориями, которые выступают как основа ООП; (iv) может послужить интеллектуальному прорыву к пониманию значения концептуальности через конструктивность формальных теорий (геделизация) и вычисления (теории алгоритмов и программирования).

^

1.4. Интеллектуальная обучающая система

1.4.1. ИОС как средство синтезирующей деятельности учащегося


В системно-информационный период к интеллекту (3-НТР) на первый план выдвигаются требования в отношении созидания, основанного на синтезе, экспансионизме и только во вторую очередь задействуются анализ и дедукция. Это связано с повышенным требованиям к системному мышлению.

Профессиональное обучение
(занято знанием)

Универсальное обучение
(занято познанием)

Мышление

Сознание

Фундаментализм

Антифундаментализм

Метафизика

Эволюционный рационализм

Учитель   субъект, ученик   объект

Ученик, учитель   субъект и объект

Способность к обучению (обучающаяся знанию система)

Способность к познанию (самоорганизующаяся понимательная система)

Составительный характер (теория множеств)

Сравнительный характер (категории и функторы)

От идеальной модели к реальной картине для получения ответов (обратный путь познания)

От реальной картины к идеальной модели для получения вопросов (прямой путь познания)

Познание мира за видом

Познание мира за каждым

Логика обоснования

Логика открытия

Повторяет, копирует (повторение   мать учения) – действует в знаемом

Созидает, конструирует (повторение   мачеха учения) – действует в незнаемом

Целое из элементов -детерминированность

Целое для элементов – наследование

Автоматизм (обучение без научения, что знает, искусственность, опосредованность)

Инструментальная стихия (научение без обучения, как знает, естественность, непосредственность)

Поэтапное формирование знаний (ЗУН)

Разнообразие, случайность (УЗН, УЗНс)

Табл. 1. ТО и НО в их различии для синтеза


Универсальное обучение (УнОб), являющееся надстройкой над профессиональным обучением (ПрОб), нацелено на самоорганизацию учащегося. При самоорганизации мышление рассматривается как творчество на основе диалогики культур (грубой схемы двух культур – гуманитарной и рациональной – уже не хватает). Для ясности, приведем два примера в отношении культуры. Сегодня возможно разрешить неопределенность мало-много. Для этого следует обеспечить преемственность представления учащегося: в неравенстве 2n>n он должен обнаружить диагональный метод Кантора. Сегодня можно связывать «далекие» понятия: в двойном интеграле обнаружить фундаментальную обобщенную рекурсию (второй степени, а для универсальной функции сложнее и не надо).

В отношении самоорганизации следует учащегося продвигать в двух на­правлениях: от знаемого им к познанному родом человеческим; от познанному родом к знаемому им. Т.е. следует действовать на широком фрон­те. Нами обосновывалась целесообразность выбора градиента НАМ → АМ → САМ, захватывающего диалогику в границах рациональной культуры.

Первая возникающая сложность заключается в объемности ПО, т.к. необходимо охватить синтез математики, программирования, информатики. Сложность преодолевается не написанием нового фундаментального курса, а установлением наследования множества существующих профессиональных авторских и учебного курсов. Учебный курс определяет цели. Он составлен из пример-проблем, представляющих конструктивную проблему интеллектуального поиска, которые все вместе охватывают концептуальный каркас курса. Такая организация учебного материала соответствует УнОб, занятому проблемой самоорганизации и связанной с ней свободой развития учащегося. Пример-проблемы служат источником для обнаружения в профессиональных авторских курсах: во-первых, частных задач; во-вторых, методических материалов. Для этого отношение понятий авторских курсов подчинены связям головных понятий, заданных в учебном курсе (посредством отображения корреспонденции).

Вторая возникающая сложность УнОб сложнее первой. На повестке «новое», а ему соответствует деятельность в «незнаемом». Вот и вы­явилась суть современной несостоятельности ПрОб – обеспечивает ученика ответами. УнОб преодолевает границы ПрОб – обеспечивает на основе ответов формулировку вопросов, являющихся базой саморазвития учащегося. ПрОб отвечает за целесообразность, определяемое локальным знанием, а УнОб – за целесообразность, определяемое мировоззрением. Возникшая сложность в УнОб, выступающем как составная часть традиционного учеб­ного процесса, преодолевается средствами ИОС. Ее интеллектуальный блок действует в соответствии с априорной и динамической моделями учащегося. Учащийся (взаимодействует со знанием) рассматривается как нелинейная система, которую следует продвинуть к увеличению сложности. В хаосе сложности для учащегося (как условия интеллектуального прорыва) возникновение порядка специфично и уникально. Отсюда ставка на свободу развития. Она состоит в предоставлении учащемуся учебного материала на основе его выбора собственного пути из множества формируемых системой путей (восхождение по обобщениям к абстрактному, схождение к конкретному), соответствующих целостности учебного курса.

ИОС действует в соответствии с методом обучения ГРОМ. Мастер устроен для интегрированного предмета (включая границы составляющих его теорий) и поэтому функционирует на разведенных смыслах понятий: знать (ПрОб) и понимать (УнОб). В методе особая роль отводится циклическому процессу в отношении части и целого (конкретного и общего). Единицей учебного материала является генетическая цепочка представлений понятия на градиентном пути на уровнях САМ, АМ, НАМ, отыскиваемых в авторских курсах. Формируемые ИОС пути как раз связывают части (авторские курсы) и целое (учебный курс).

Герменевтика, выявляя наши возможности в концептуальном, обеспечивает представление о подходе, в котором снимается напряжение разработки ПО, присутствующее в РО.

Для ГРОМ инвариантом является понимание учащегося. Это означает, что единицей учебного действия также рассматриваются пути, отвечающие за взаимодействие целого и частей (от целого к части и наоборот). Адаптивность учебного материала добывается исследованием на нем отношения толерантности, формируемой системой на основе динамической модели учащегося.


Схема 2. Инвариант понимания: формирование сознания


^

1.4.2. Проектируемая обучающая система


Разрабатываемая система должна быть рассчитана на учащегося высшей школы (ВУЗа), стремящегося понять, «что такое информатика?». Система должна быть универсализующим дополнением к традиционным профессионально-ориентированным курсам. Предполагается, что учащийся обладает какими-то знаниями на уровне школьного курса (НАМ). Задача системы – дать ему наиболее быстрый и комфортный путь интеллектуального развития для овладения сложными понятиями современной математике и формирования представления о предмете в целом, показать единство математики, информатики, программирования.

Чем наша интеллектуальная обучающая система отличается от других? Обычно обучающие системы ориентированы на визуальное представление материала (мультимедийность) и удобную навигацию. Большое внимание уделяется тестам и проверке знаний. Интеллектуальность и адаптивность, как правило, реализованы слабо.

Интеллектуальная обучающая система, которая реализуется на нашем спецсеминаре, использует синтезирующий эффект профессионального знания для обеспечения понимания учащегося. Ведущая роль отводится межпредметным связям, которые наиболее быстро дают учащемуся полную картину предметной области, позволяют ему лучше ориентироваться в ней (ПО). Учебный курс показывает учащемуся градиент развития в незнаемом, задает кратчайший путь для овладения сложными понятиями. Он рассматривается как совокупность специальным образом разработанных пример-проблем и ассоцированных с ними понятий, имеющих иерархическую структуру. Учебный курс управляет авторскими курсами, которые, несмотря на то, что преследуют свои цели, содержат материал полезный для учащегося. Авторские курсы – это специальным образом подготовленные, представленные в специализированном виде книги. Задача интеллектуальной обучающей системы – так рассмотреть материал авторских курсов, чтобы найти в них именно то, что нужно учащемуся в рамках его текущего состояния и выбранной проблемы. Предлагается реализовать две операции «прямую» и «обратную». Прямая операция по выбранной цели подбирает материал из авторских курсов. Обратная операция по текущему состоянию учащегося в предмете подбирает подходящую цель из учебного курса.

Материал авторских курсов исследуется на предмет сходства. Под сходством в некотором приближении можно понимать наличие общих понятий. Учебный курс представляет собой совокупность пример-проблем, «нагруженных» некоторой разработкой – множеством понятий, с которыми они связаны. Авторский курс – представляет собой совокупность Структурных Единиц Текста (СЕТ), ассоциированных с некоторым набором понятий. Для каждой СЕТ имеется свой набор понятий, являющийся подмножеством соответствующего набора понятий авторского курса (индекса).


^

2. Постановка задачи



В зафиксированных границах архитектуры и функциональной схемы ИОС для ИКМУ:


1) Обеспечить использование курсов в системе на основе их синтеза. Конструктивно решить вопрос соподчинения курсов:

  • однородных;

  • посредством иерархии учебного курса;


2) Реализовать среду, выделяющую учебный материал в соответствии с учебным действием в ИОС. Система должна:

  • быть открытой для нового материала;

  • сужать и расширять материал на основе пример-проблем;



^

3. Обзор существующих решений рассматриваемой задачи

3.1. Архитектура ИОС


Интеллектуальная обучающая система является совокупностью Рабочих мест, на каждом из которых происходит учебное действие F(Учащийся).




Рабочее место – набор инструментов, среда для работы пользователя в системе. В системе должны быть реализованы:

  1. РМ-1, отвечающее за погружение материала в систему. На этом рабочем месте производится первоначальная обработка материала, анализ и отладка АК в отношении возможности использования в синтезирующем плане, анализ, отладка и выбор Синтетических курсов для совершения Учебного действия.


2) РМ-2 – Графовый анализ СЕТ’ового представления на соответствие интегральному знанию.


3) РМ-3 – Формирование ПО по отношению к целям системы (УК системы базового обучения начальных курсов.

На каждом из уровней должно обеспечиваться Учебное Действие (УД), причем, чем выше номер рабочего места, тем более уточненную структуру имеет материал, и тем лучше проработано УД.
^

3.2. Функциональная схема





Функциональная схема ИОС

Первоначально курсы (ПО) находятся в форматах djvu и pdf. В результате последовательной обработки они переводятся в специализированный формат xml-документов для использования в качестве учебных материалов ИОС. На каждом рабочем месте уточняется представление материала, для обеспечения лучших условий выполнения Учебного Действия. Любое из рабочих мест доступно пользователю, так как мы хотим сделать систему расширяемой для добавления нового материала. Система должна принять материал от пользователя, обработать его, найти ему место в иерархии системы. Система должна выполнять Учебное Действие по преодолению межпредметных разрывом. Пользователем системы может быть как учащийся, цель которого – овладеть новым материалом, так и автор курса, желающий рассмотреть свой курс в отношении других курсов и в отношении УК базового обучения информатике.

^

3.3. Предметная область

3.3.1. Учащийся как субъект


Учащийся существует в условиях синтетичности профессионального обучения, заданного аксиоматически для слова и «делай так» для дела.


Обучение пользуется способами:

  • прямой путь, учитывающий развитие учащегося, от частного к общему (пример, школьное);

  • обратный путь, учитывающий развитие предмета, от общего к частному (пример, вузовское);

  • синтез путей – мы следуем ему, но сосредотачиваемся на их «обратной связи», тем самым, дополняя и то и другое обучение.


Обучение при помощи ИОС выстраивается на межпредметных связях.

^

3.3.2. Предметная область (ПО)


Требуется обеспечить ОС учебным материалом для деятельности учащегося на основе межпредметных связей на множестве курсов.

Синтез предметной области (ПО), сформированной из синтетических курсов, обеспечивается Rпо - отношением соподчинения на ПО, построенным посредством бинарных соподчинений курсов Rα,β; курсы выстраиваются в иерархию дерева. Тогда на ПО представляется возможным осуществить учебное действие, соответствующее «обратной» связи обучения:



- учебное действие строится для пример-проблемы или понятия и является совокупностью СЕТ’ов, покрывающей иерархию (дерева) ПО.

Различаем типы курсов: синтетические, монографии, итоги науки, энциклопедии, синтезирующие (ВСЕМ). Эксперимент провести на ПО, составленной из синтетических курсов. Они характеризуются аксиоматическим устройством с обычной для них упаковкой знания в логическую схему. Примеры синтетических курсов: Скорняков Л.А. «Элементы общей алгебры»; Халмош П. «Конечномерные векторные пространства».

Синтез курса, являющегося синтетическим, обеспечивается подбираемыми из курса (пока вручную) пример-проблемами. Пример-проблемы в курсе «Начала Евклида»: теорема Пифагора (книга I), построить квадрат равновеликий 4-угольнику (кн.II), квадрат на касательной равен прямоугольнику…(кн.III), построить 15-угольник (кн. IV). Курс автора в отношении его возможностей синтезирующего использования обнаруживаются посредством представления:

,

где

- логическая структура курса (древовидная) – на основе понятий. Строится на основе оглавления книги, каждое понятие занимает соответствующее место в иерархии. Модифицируется на основе пример-проблем.

- представление курса в виде Структурных Единиц Текста (СЕТ): текст + множество понятий, упомянутых в данном СЕТе. Между собой СЕТы однородны. Примером СЕТа может являться содержательный абзац текста, который нагружен упомянутыми в нем понятиями.

- синтезирующее представление курса на основе пример-проблем : текст + дерево понятий. . Пример-проблемы рассматриваются с точки зрения автора. Под пример проблемой понимается основополагающая теорема, ключевой для данного курса результат.

- предикаты, задающие связь выделенных элементов курса (характеризуют состояния курса в синтезирующем аспекте). Рассматриваем предикаты как бинарные отношения над соответствующими единицами курсами (либо есть, либо нет). На основе общих понятий строятся предикаты над СЕТами, на основе совместных вхождений в СЕТы строятся предикаты над понятиями, на их основе строятся предикаты над пример-проблемами.

Синтез множества одноуровневых курсов: объективность средствами коллективного знания, сужение ПО.

- синтезирующие пример-проблемы формируются на основе выделяемых общих пример-проблем курсов.



За счет выделенных пример-проблем происходит сужение ПО.

- характеризуют синтезирующее представление курса с точки зрения интегрального представления об однородных курсах.

^

3.3.3. Межпредметные связи



Учебный курс представляет собой совокупность Авторских курсов, построенную иерархически (в зависимости от концептуальности курса).


Соподчинение установлено, если зафиксировано отображение Ψ-корреспонденции из подробного курса в концептуальный.


Где:

- курс уровня САМ

- курс уровня АМ

- курс уровня НАМ

- однородные (подробные) курсы в рамках одного предмета


Схема учебного курса:


^

3.3.4. Учебное действие


Учебное действие заключается в обеспечении Учащегося материалом посредством иерархии курсов. Т.е. Учащемуся предоставляется цепочка материалов разного уровня сложности, фиксирующая исторический путь развития понятия.

Результатом учебного действия будут:

  • материалы, фиксирующие рассогласованность;

  • цепочка материалов из более концептуальных курсов, которая служит преодолению зафиксированной рассогласованности.

Интеллект системы образован учебным действием, настроенным на преодоление межпредметных «разрывов» посредством обеспечения интеллектуального прорыва учащегося.

^

4. Исследование и построение решения задачи




4.1. Соподчинение курсов


Обратимся к предметной области . Главной задачей ИОС является осуществление учебного действия F. Оно выполняется на иерархически построенном множестве курсов. Иерархия задается соподчинением.

Соподчинение курсов RПО обеспечивает синтез предметной области, оно основывается на соответствии понятий двух курсов.



Соподчинение установлено, если зафиксировано отображение Ψ-корреспонденции из подробного курса в концептуальный.




В более концептуальном курсе понятия мощнее, поэтому на них отображается несколько понятий из однородных курсов.

С точки зрения реализации соподчинение строится на таблице соответствия между понятиями. Для реализации выбрано самое общее отображение (n к n). Для каждой пары курсов можно задать такую таблицу. Однако, в общем случае, она может быть пустой для курсов разных настолько, что у них нет общих понятий. Таблица соответствия будет реализована xml документом (будет разработана схема для этого документа). Для каждой пары курсов будет свой документ соподчинения.

^

4.2. Организация ПО


Существует следующий вид фундамента курсов:




Рисунок наглядно показывает иерархию курсов. Соподчинение курсов условно обозначено черными стрелками. На каждом уровне из пяти хранится соответствующий ему материал. Синтетические курсы имеют содержательные пример-проблемы, насыщены понятиями. Профессиональные курсы более подробны, но не обладают синтезирующим свойством. В рамках эксперимента рассматривается отображение профессиональных курсов только на уровень АМ синтетических курсов, так как используемые сейчас профессиональные курсы примерно соответствуют уровню АМ.

Система предполагается открытой, т.е. возможно добавление новых курсов непосредственно при работе с системой (динамически). При этом пользователем выбирается уровень, на который курс должен погрузиться. Системой вычисляется пересечение пример-проблем и анализируется на пустоту. Если пересечение пустое, то курс не соответствует области, либо был некачественно обработан при приведении к формату xml. В этом случае нужно установить соответствия понятий вручную.

Учебное действие в рамках сеанса работы с системой предполагает поиск материала для текущих нужд учащегося. Помимо этого существует еще один, более высокий, уровень работы системы – в рамках непрерывного образования. Между сеансами проводится анализ информации, подбор наиболее подходящего материала на основе полученной информации (учащийся задает курсы, которые он знает). Анализ в рамках непрерывного образования позволяет удалить из системы избыточные курсы и уточнить подаваемый материал, отбирая для учащегося более общий материал (в котором больше пример-проблем), который, вероятно, лучше покрывает заданную пример-проблему.
^

4.3. Сужение и расширение предметной области


Сужение предметной области происходит на нескольких уровнях. При погружении курса в систему сужение ограничивает количество курсов, с которыми строится пересечение. Выбираются только наиболее близкие по содержанию курсы. Параметр, определяющий отношение близости доступен пользователю. Далее сужение производится при поиске СЕТов, удовлетворяющих выбранным пользователем пример-проблемам. Условия задаются пользователем непосредственно при работе с системой. Возможно, сделать ПО еще более узкой, если задать критерии фильтрации. Если сужение оказалось слишком сильным, может понадобится расширение ПО.

Расширение предметной области при погружении курса в систему происходит за счет увеличения значения параметра, определяющего отношение близости. При поиске СЕТов расширение возможно путем изменения параметров поиска (строгость поиска и минимальная сила связей) и списков определений (увеличением белого или уменьшением черного списка).
^

5. Описание реализации

5.1. Выбор технических средств


Основными критериями выбора средств разработки являются производительность и переносимость, а также возможность создать интуитивно понятный и удобный интерфейс.

Выбор однозначно пал на язык JAVA2 (среда разработки IntelliJ IDEA 6.0.4) и технологию xml для представления курсов. Для обработки и просмотра xml документов использовалась среда Stylus Studio. Она позволяет представлять xml содержимое в виде дерева, в текстовом виде и в виде таблицы. Выбор необходимой информации возможен с помощью средств языка XPath.

Для реализации графического интерфейса используется библиотека swing.

Изначально для работы с документами было решено использовать высокоуровневые инструменты. В частности язык запросов XQuery и язык преобразований XSLT. Однако в процессе разработки было принято решение отказаться от этих средств в пользу API, таких как DOM, JAXP и JAXB. Они предоставляют доступ к xml-данным как к объектам классов языка JAVA. DOM – Document Object Model преобразует документ в совокупность объектов типа «Node» и интерфейсов для работы с ними. JAXB же создает необходимые классы на основе схемы xsd. JAXB сам следит за соответствием документа схеме и не позволит сохранить неправильные данные, в отличие от DOM, который не следит за правильностью документа, так как ничего не знает о его схеме. Минусом использования JAXB является зависимость от объема оперативной памяти, как следствие, проблемы при работе с большим объемом данных на слабых машинах.

^

5.2. Функциональность программы и графический интерфейс





Реализованная в рамках эксперимента программа позволяет сужать и расширять предметную область, строить предикаты на понятиях (с учетом силы связей понятий в курсе), производить первичное пересечение выбранных курсов.

Программа представляет собой поисковую систему. Учащийся выбирает файл xml, система проверяет файл на корректность и создает по нему дерево объектов. По полученному дереву объектов система строит предикаты над определениями, далее формируется список определений курса и отображается учащемуся. Учащийся задает пример-проблему: выбирает список понятий, которые должны попасть в результат поиска (белый список) и список понятий, которые необходимо исключить из результата (черный список). Затем учащийся задает параметры поиска (строгость поиска и минимальная сила предикатов) и нажимает кнопку «Новый поиск». Фильтрация найденного материала производится аналогично поиску и определяется списками понятий и параметрами поиска.

По дереву объектов производится поиск материала и выводится Учащемуся. Имеется возможность отфильтровать результат, изменив списки понятий. Реализована возможность сохранения результата поиска в формате xml, txt.




^

5.3. Использование JAXB



Пакет использовался для чтения и записи xml курсов. Необходимым условием его использования является наличие схемы документа. Более того, схема не должна меняться, т.к. ее изменение повлечет за собой изменение структуры программы. На вход генератору классов подается xsd схема, генератор создает пакет классов, который необходимо подключить в проект.



В пакете определены 2 основные операции unmarshal и marshal. Класс unmarshaller позволяет по файлу xml построить дерево объектов в системе. А класс marshaller по дереву объектов из оперативной памяти формирует документ xml, соответствующий схеме.



^

5.3. Сужение и расширение на основе выбранных пример-проблем


Как уже было сказано, сужение предметной области происходит на нескольких уровнях. В рамках эксперимента рассмотрим сужение при поиске СЕТов, удовлетворяющих выбранным пользователем пример-проблемам.

Списки:

  • Список определений курса формируется при загрузке xml файла. Пользователь при помощи мыши выбирает понятия, задающие пример-проблему. Выбор понятий возможен как в белый, так и в черный список, в зависимости от положения индикатора, расположенного ниже. Возможен множественный выбор при зажатых клавишах Ctrl или Shift.

  • Белый список содержит те понятия, по которым поиск будет производиться. Каждый CET-кандидат просматривается на наличие в нем хотя бы одного понятия из списка (по умолчанию, на самом деле на результат отбора влияет также строгость поиска и минимальная сила связей). В случае нахождения такового, кандидат добавляется к результату поиска.

  • Черный список расширяет возможности сужения, еще более ограничивая результат поиска. Если этот список задан, то при отборе материала каждый СЕТ – кандидат просматривается на наличие в нем понятий из списка. При нахождении таковых СЕТ-кандидат отбрасывается из результата.

Параметры поиска:

  • Строгость поиска определяет, сколько понятий из белого списка должно одновременно присутствовать в результате поиска. Минимальное значение - 0, в этом случае выбирается весь материал. Максимальное значение формируется в зависимости от количества выбранных понятий. Соответственно, если задано максимальное значение, то из курсов будут выбраны только те СЕТы, в которых все понятия белого списка присутствуют одновременно.

  • Минимальная сила связей ограничивает поиск следующим образом: по понятиям из белого списка строятся связи между понятиями, которые имеют показатель силы связи. При отборе материала понятия каждого СЕТа просматривается на предмет соответствия этому параметру. Если сила связей хотя бы одного понятия меньше заданной, СЕТ-кандидат отбрасывается из результата поиска.

Фильтрация работает аналогично поиску, за исключением того, что область поиска в этом случае ограничивается результатом предыдущего поиска. Поэтому расширение ПО при помощи фильтрации сделать нельзя.


^

5.4. Работа со многими документами на предмет пересечения пример-проблем


Для формирования пересечения пример-проблем пользователем используется специальный пункт меню. Из вектора курсов пользователь выбирает пару и нажимает кнопку формирования пересечения. Системой формируется пересечение путем сравнения списков определений в этих файлах.


6. Заключение


В результате выполнения дипломной работы была разработана схема соподчинения курсов. Реализована поисковая система, выделяющая учебный материал в соответствии с учебным действием, позволяющая производить сужение и расширение предметной области. Для выбранных курсов система строит предикаты на понятиях для передачи на рабочее место 2 (последующее графовое представление). Возможна работа со многими курсами, для выбранной пары курсов может быть построено пересечение пример-проблем.

В ходе выполнения дипломной работы были получены навыки работы со средой IntelliJ IDEA 6.0.

7. Благодарности


Хотел бы выразить признательность всем, кто участвовал в работе по реализации системы и помогал непосредственно в написании дипломной работы, особенно своему научному руководителю В.И. Громыко и коллегам Андрею Ельцину, Тимуру Султанову и Дмитрию Педоренко.
^

8. Список цитируемой литературы


  1. Громыко В.И. Эволюция разума к ноосфере (роль информатизации) //Синергетика. Труды семинара, том 7. М.: МГУ, 2004.

  2. Громыко В.И., Аносов С., Фролов А… «Интеллектуальные обучающие системы для базового обучения информатике (реализация)». Научно-методический семинар по информатике «Актуальные проблемы информатики в современном российском образовании». Москва, МГУ, июнь 2004.

  3. Громыко В.И., Мальковский М.Г., Симакин А.Г., Кузина Л.Н. Обучающие системы «компьютерного» образования в высшей школе //Программные системы и инструменты. Тематический сборник, выпуск 6. М.: МГУ ВМК, 2005.

  4. Громыко В.И. Искусство рационального. Синергетика. Труды семинара, том 8. М.: МГУ, 2006 .



9. Список литературы


  1. Ноутон, Шилдт. Java 2. Наиболее полное руководство. СПб.: BHV - Санкт – Петербург, 2001.

  2. Мак-Лахлин Б. Java и XML. СПб.: Символ-плюс, 2002.

  3. Brett D. McLaughlin and Justin Edelson. Java and XML, 3rd Edition. O'Reilly, 2006.

  4. Marc Loy, Robert Eckstein, Dave Wood, James Elliott, Brian Cole. Java Swing, Second Edition. O'Reilly, 2002.

  5. Давыдов С., Ефремов А, IntelliJ Idea. Профессиональное программирование на Java. СПб.: BHV - Санкт – Петербург, 2005.

  6. Кац Г. (ред.). W3C XML: XQuery от экспертов. Руководство по языку запросов М.: Кудиц-Образ, 2005.






Скачать 270.57 Kb.
оставить комментарий
Дата27.09.2011
Размер270.57 Kb.
ТипДиплом, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх