Особенности создания учебных объектов в интеллектуальной системе обучения математике Math-Bridge Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

Особенности создания учебных объектов в интеллектуальной системе обучения математике MathBridge

Новикова Светлана Владимировна доцент, д. т. н., профессор кафедры Прикладной математики и информатики, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева (КАИ), ул. Большая Красная, 55, г. Казань, 420015, (843)2310086 sweta72@bk.ru

Валитова Наталья Львовна к. т. н., доцент кафедры Прикладной математики и информатики, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева (КАИ), ул. Большая Красная, 55, г. Казань, 420015, (843)2310086 valinata@rambler. ru

Кремлева Эльмира Шамильевна старший преподаватель кафедры Прикладной математики и информатики, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева (КАИ), ул. Большая Красная, 55, г. Казань, 420015, (843)2310086 e-smile29.04@mail.ru

Аннотация

В статье рассматриваются специфические аспекты создания учебного контента в образовательной электронной системе обучения математике Math-Bridge. Система Math-Bridge является узкоспециализированной интеллектуальной средой разработки обучающих курсов для математических и инженерных дисциплин, созданной Немецким исследовательским центром по искусственному интеллекту (Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz-DFKI). Описывается последовательность действий для создания учебных объектов, приводятся основные особенности таких объектов в отличие от других e-learning систем.

The article deals with specific aspects of creating of content in e-learning system Math-Bridge for training of math. Math-Bridge system is a highly specialized intellectual development environment of training courses for math and engineering disciplines, created by the German Research Center for Artificial Intelligence (Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz-DFKI). This article describes the steps to create a learning objects and basic features of these objects, unlike other e-learning systems.

Ключевые слова

электронная образовательная система, учебный объект, математическое образование, компьютерное обучение

e-education system, learning object, math education, computer training

Введение

Изучение математики и близких инженерных дисциплин традиционно является наиболее трудным для студентов моментом обучения, большинство случаев отчислений на начальных курсах происходит именно из-за недостаточного уровня знаний по математическим дисциплинам. Опыт как Российских, так и зарубежных ВУЗов показывает, что сократить процент отчислений и повысить общий уровень математической подготовки будущих инженеров возможно при помощи использования специальных программных интеллектуальных систем обучения математике [1].

Абсолютное большинство применяемых на сегодняшний день электронных обучающих систем представляет собой универсальные программные среды, предоставляющие возможности для создания статического учебного контента (лекции) и элементарных блоков проверки знаний (тесты). Особенности математических дисциплин, в частности преобладание в обучении практических упражнений, реализуется либо как внешние программные модули [2], либо как отдельные комплексы обучающих программ [3].

Немецкий исследовательский центр по искусственному интеллекту (Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz-DFKI) является одним из передовых научных центров по разработке программного обеспечения на основе систем искусственного интеллекта в различных областях. В настоящее время в DFKI разработана и широко внедряется в ВУЗах Европы интеллектуальная система обучения по математическим дисциплинам для высших технических учебных заведений - MathBridge. Исследования эффективности систем, разработанных, в DFKI, проводились в технических ВУЗах Европы: Франции, Германии и Финляндии [4]. В Российской Федерации данная e-learning система внедряется в рамках Европейского образовательного проекта TEMPUS-MetaMath [5], участником которого является Казанский национальный технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ (КНИТУ-КАИ).

Создание учебных объектов в системе Math-Bridge имеет ряд особенностей, обусловленных расширенными возможностями использования данных объектов в режиме интерактивного взаимодействия с обучаемым.

Обзор учебных объектов Math-Bridge

В системе Math-Bridge, в отличие от других электронных образовательных систем [6], различают два вида учебных объектов: так называемые динамические и статические объекты обучения. Динамические объекты обучения являются интерактивными, при этом студент должен ответить на вопросы. Статические объекты обучения представляют собой учебный текст, где не требуется никакого взаимодействия с обучаемым, однако и они несут в себе интеллектуальное наполнение, делающее их уникальными. Math-Bridge предлагает два различных инструмента для создания статических и динамических объектов соответственно. При открытии объекта для редактирования нужный инструмент выбирается автоматически в зависимости от типа выбранного объекта обучения. Доступны следующие типы объектов: 1. Статические-

• Аксиома;

• Определение;

• Пример;

• Метод;

• Текст /записка;

• Доказательство, теоремы /утверждения

2. Динамические -

• Упражнения

• Быстрые упражнения

Рабочее пространство Авторинга

Для создания учебных объектов в Math-Brige необходимо войти в так называемое рабочее пространство Авторинга. Здесь вы можете создавать и управлять объектами обучения, а также публиковать объекты, чтобы сделать их доступными для студентов. Рабочая область предоставляет вам подробный обзор вашей авторской работы и дает доступ к различным функциям авторинга. Войти в рабочее пространство Авторинга можно при нажатии на кнопку «Авторинг», расположенную в главном меню.

Рабочее пространство Авторинга содержит все функциональные возможности, необходимые для создания, управления или опубликования объектов обучения. Объекты обучения, которые вы создаете или импортируете извне, первоначально доступны в изолированной программной среде вашего рабочего пространства. Список объектов отображается на левой вкладке, упорядоченный по типам объектов (рисунок 1, область 1). Вы выбираете объект обучения из списка, при этом в окне содержимого доступен его предварительный просмотр (рисунок 1, область 2). Предварительный просмотр отображает объект так, как студенты будут видеть его в курсе. Справа при этом отображаются данные об объекте (рисунок 1, область 4). Эти данные содержат информацию о происхождении данного объекта, такие как идентификационный номер или имя коллекции. В правой панели отображаются метаданные выбранного элемента (рисунок 1, область 5). Для того, чтобы совершить какое-либо действие для выбранного объекта, необходимо выбрать действие из панели инструментов авторинга, которая находится выше окна предварительного просмотра (рисунок 1, область 3). Для существующих объектов доступны следующие действия:

• Удалить (Delete)

• Редактировать (Edit)

• Опубликовать (Publish)

• Запустить (Run) (только для упражнений)

Помимо доступных функций для уже существующих объектов обучения, есть еще одна функция с именем «Создать» (New) . При выборе этой функции откроется выпадающее меню, в котором можно выбрать тип объекта обучения и создать новый элемент выбранного типа. Новый объект будет открыт сразу же в соответствующем редакторе объектов.

Рис.1. Обзор рабочего пространство авторинга

Организация содержимого в Math-Bridge

Содержимое в системе Math-Bridge организовано и расположено на разных уровнях. На самом низком уровне формируется набор обучающих объектов , которые могут быть использованы для создания учебного содержимого, такого как книги или курсы. Учебные объекты включают в себя фактическое содержание, которое предоставляется студенту, но сами по себе они не могут отображаться. Учебные объекты становятся доступными только если они являются частью так называемой коллекции контента. Коллекция контента представляет собой пул объектов. Автор может открыть пул для создания курсов и экзаменов, доступных студенту. Помимо коллекций Math-Bridge предоставляет изолированное рабочее пространство авторинга, по одному для каждого автора. Автор может создавать или редактировать учебные объекты в рамках своего изолированного пространства. Только сам автор может получать доступ к его изолированному рабочему пространству. Как только автор завершит создание объекта обучения, он может опубликовать его в коллекции контента. После этого объект может быть использован любым другим автором для создания курсов или экзаменов. Если автор хочет изменить существующий учебный объект , который уже является частью коллекции, он может скопировать его в свою рабочую область. Переиздавая объект обучения, автор создаст новую копию, в которой автор выступает в качестве издателя.

КеЛА4кцнД

Иилкрфминм |нбоч(« проптинстн

LCI

Рис.2. Обзор организации контента в Math-Bridge

Содержание коллекции

Существующие коллекции объектов можно увидеть, нажав на ссылку «Все содержание» (All Content) в рабочей области авторинга (рисунок 1, область 6). Список объектов в левой панели будет заменен на список существующих коллекций, доступных в системе (рисунок 3, область 1). Каждая коллекция содержит набор учебных объектов , организованных по типам. При выборе одного из этих пунктов будет доступен его предварительный просмотр и метаданные. При просмотре коллекции панель инструментов авторинга будет содержать только одно действие , которое позволяет копировать выбранный объект в Вашу рабочую область (рисунок 3, область 2). Если панель инструментов пуста, это означает , что изменение и / или повторная публикация данного объекта в другой коллекции запрещается.

Правовая информация

V^ ©2014 Math-Bridge А

Preview of Для Статистики

Копировать в Моё рабочее пространство

Для Статистики

XVI Российская и XI Казанская ВЕНЧУРНАЯ ЯРМАРКА Казань - 26-27 апреля 2016 года

просто картинка "

А Для Статистики л Доступно на-

Русский (Российская Федерация) »

л Свойства -

А Заметка или другой текст f Существенное содержание л Подробности — л Подробности-

Рис.3.Содержимое коллекции

Опубликование учебных объектов

Публикация учебного объекта проста. После того как вы закончили работу над объектом обучения, необходимо сохранить его и вернуться в рабочую область.

Выберите объект из списка и нажмите кнопку "Опубликовать" (Publish) (кнопка на панели инструментов разработки). Учебный объект будет опубликован в присвоенном коллекции редакторе объектов.

Создание нового контента

Новый объект обучения можно создать, нажав на кнопку «Создать» (New) в авторской рабочей области. При этом откроется всплывающее меню, которое позволяет автору выбрать тип создаваемого учебного объекта. Согласно внутренней организации контента Math-Bridge, меню разделено на три различных типа учебных объектов (см. рисунок 4.)

1. Статические объекты обучения (рисунок 4, область 1): учебные объекты , которые не предполагают интерактивность.

2. Динамические объекты обучения (рисунок 4, область 2): Учебные объекты с интерактивным компонентом. Студент может взаимодействовать с системой при работе с объектами обучения. Это означает , что система реагирует на ответы студента, предлагая динамические обратные связи и адаптируясь к его / ее ответам.

3. Структурные объекты обучения (рисунок 4, область 3): Структурные объекты обучения используются для организации контента в MathBridge. Например, могут быть созданы Коллекции или учебные объекты могут быть объединены в наборы для создания экзамена или учебной книги.

Static KU9CHEVHI j ли111ПАП Dynamic Structure /■---\l

Аксиома Ц> f д*— > ( Д-omdoc coilection-

ДОпределение Quick Упражнение ^-omdoc course-

Д Пример ^ J ^ -omdoc exam-

^ Метод ^^ Заметка ипи другой текст Доказательство * Утверждения V-J V

Рис.4. Меню для создания нового учебного объекта

В зависимости от вида создаваемого объекта обучения, Math-Bridge запустит специальный инструмент разработки.

Авторские инструменты Math-Bridge

Набор инструментов Math-Bridge состоит из нескольких независимых инструментов:

• Редактор метаданных

• Статический контент-редактор

• Динамический контент-редактор

• Редактор коллекции

• Инструмент монтажа

Эти отдельные редакторы авторинга взаимодействуют, чтобы позволить автору создать объект определенного типа. Если автор приступает к созданию нового объекта обучения, запускается один или несколько из этих редакторов. Например, создание статического объекта обучения запустит редактор метаданных и редактор статического контента. Создание динамического объекта обучения запустит редактор метаданных, статический и динамический редактор контента. Поскольку создание различных типов учебных объектов всегда базируется на одних и тех же редакторах, автор будет чувствовать себя уверенно при создании новых учебных объектов, даже если он создает учебный объект выбранного типа впервые.

Создание метаданных

Создание или редактирование объектов любого типа, независимо от того, являются ли они статическими или динамическими, всегда будет запускать экземпляр редактора метаданных Math-Bridge. Редактор метаданных всегда будет отображаться на вкладке с правой стороны (рисунок 5, область 1). Он отображает все метаданные, которые в настоящее время соответствуют открытому объекту обучения. Вы заметите, что некоторые из метаданных уже установлены по умолчанию. Эти метаданные описывают неизменяемую информацию об учебном объекте, такую как время создания или ID автора. Эти поля не могут быть изменены автором. Для того, чтобы добавить больше метаданных, например, педагогическое или семантическое описание, редактор предоставляет мастер метаданных. Этот мастер всплывает в окне редактирования при нажатии кнопки редактора "Изменение метаданных" (Modify Metadata).

| Приборная панель Авторин! # Управление Мой профиль "9 Помощь I

а

Быйгн

« сощагчсгамог - mile Lairningobjtci

2 Вони iu lunoYikotfa

Ms» [¡»мча* npocTpiHcTOI L:I

CwaiDf

in wwl

4 2S1MM1T« 3S 53

amp^

I

rmpty

Рис.5. Редактор и мастер метаданных

Мастер позволяет осуществить процесс добавления новых метаданных в 3 простых шага (рисунок 5, область 2). Вы можете добавить столько метаданных , сколько вы хотите , просто нажав на кнопку Сохранить. Новые метаданные будут появляться немедленно в окне редактора на правой стороне. Если добавить метаданные, которые уже установлены для учебного объекта, вновь созданные метаданные заменят существующие. Вы можете легко удалить метаданные, если он

не были автоматически установлены системой, нажав на красную кнопку X рядом со значением метаданных. Вы заметите , что не все метаданные, особенно семантические, доступны для всех объекты обучения. Наличие метаданных зависит от типа (статический или динамический) и типа учебного объекта, над которым вы сейчас работаете. Система автоматически скрывает метаданные , которые не применимы для текущего вида и типа.

Редактирование контента

Контент объектов Math-Bridge редактируется путем введения текста внутри области редактора контента (рисунок 6, область 1). Область содержимого всегда отображает текущее содержимое объекта на выбранном языке. ВНИМАНИЕ! Форматирование, которое вы можете видеть, не обязательно в точности соответствует форматированию, которое будет представлено студенту. Стили шрифтов могут отображаться по-разному или форма математических символов может отличаться от того, что вы видите в режиме редактирования. При редактировании контента, вы будете видеть рамки и основные свойства для так называемых сложных текстовых элементов, таких как рисунки и формулы. Эти рамки не отображаются в реальном представлении объекта студенту, но используются при редактировании, чтобы облегчить процесс редактирования. Сложные текстовые элементы будут описаны более подробно в следующем подразделе.

Рис.6. Область редактирования контента

Сложные элементы текста могут быть расположены непосредственно в пределах области содержимого и соответствовать его стилю. Для этого контент-редактор Math-Bridge имеет специальную панель инструментов, которая и предлагает эти функциональные возможности. Набор инструментов содержит следующие функции (рисунок 6, область 2 - слева направо):

• Операции над объектами :

o добавление формул o добавлять изображения

• Операции с текстом:

o сделать текст жирным

o сделать текст наклонным

o подчеркивание текста

o установить выравнивание текста слева

o установить выравнивание текста по центру

o установить выравнивание текста справа

Создание статических объектов обучения

При создании статического объекта обучения будет открыто новое окно, содержащее два различных инструмента авторинга. В главной панели вы можете видеть статический редактор контента Math-Bridge (рисунок 6, область 1). Импорт данных из других программных пакетов требует специальной организации ETL-процессов, например, на основе технологий .NET [7]. Кроме того, загрузится редактор метаданных, который отобразится на панели с правой стороны (рисунок 6, область 2).

Ш "Ч

¡MTHBRIDGE

Authoring « contenicreaior - static Learnmgctajict

Q Войти r»*; ivnovikova

ге пространстю | Be;

Точная нижняя грань

Пусть фушшня f(x) «ранимее снизу ил множестве U. Toros мною С называется томной нижней гранью фумцмм фе)на мммктм если 1} Г при box г« U ;

2} да» любого сколь угодно малого имела найдется точа я. в О такая, что Цх

в.

«ГВШВЙ Mis il I1T 5 3S33 Copyilghti

imply

Raid

Relalloni

S^gesled Calletlinn

líaib/fbeatóiind кшзшыпыпел

Рис.6. Контент-редактор

Возможен перевод контента статического объекта на другой язык, при этом добавляется новый экземпляр объекта на новом языке. Чтобы добавить или удалить экземпляр объекта на новом языке, существуют кнопки "плюс" и "минус" в верху главной панели (рисунок 6, область 3). Добавление нового экземпляра на новом языке открывает диалоговое окно (рисунок 7), в котором можно выбрать исходный и целевой язык. Нажав на кнопку "Перевести" (Translate), объект обучения переводится на выбранный целевой язык и добавляется новый экземпляр объекта. После добавления экземпляра на новом языке, появится новая кнопка со значком флага, соответствующего новому языку, перед кнопками "плюс" / "минус" . Вы можете легко переключаться между языками, нажав на эти кнопки. Кнопки флагов, а также "плюс" и "минус" , служат для управления языком объекта обучения.

ContentCreator - Static Learningobject

«& -

Пусть ф' гранью

1) фг)

Add translation

Source-Language

3)

Русский (Российская Федерация)

Target-Language

I Ненецкий (Германия)

Ei

2) для любого сколь угодно малого числа найдется точка х-? в и такая, что I

Рис.7. Диалоговое окно перевода

Так как при переводе создается новый экземпляр объекта, вам нужно назвать этот новый объект обучения и установить коллекцию, в которой он должен быть опубликован. Для этих действий предусмотрено два отдельных поля. Поля находятся ниже панели управления языком (рисунок 6, область 4). Вы можете ввести любое имя в поле ввода имени до тех пор , но не оставить его пустым. Каждый экземпляр объекта обучения на новом языке может иметь свое собственное название. Если вы попытаетесь сохранить неименованный объект, на экране появится диалоговое окно с требованием ввести имя. Установить коллекцию для опубликования можно выбрав одну из доступных коллекций из выпадающего списка рядом с полем ввода имени.

Создание динамических объектов обучения

Динамические объекты обучения позволяют осуществлять взаимодействие между студентом и системой, реагируя на ответы студента. Для реализации такого адаптивного подхода необходимо создать несколько интерактивных объектов обучения, а именно для каждой ситуации необходимо создать собственный контент, который затем будет представлен студенту. К примеру студента просят вычислить сумму 1 + 1. Для реализации такого упражнения потребуется по меньшей мере три динамических объекта обучения: один будет описывать задачу студенту, второй объект отобразит реакцию системы, если ответ был правильным, и наконец третий объект будет показан, если ответ был неверным. Различное содержимое динамических объектов обучения можно рассматривать как шаги - каждый шаг представляет одно содержимое, как мы знаем из описания статических объектов обучения. Для того чтобы сделать это содержимое динамическим и адаптивным к той или иной ситуации, мы должны соединить отдельные статические объекты друг с другом. Результат объединения представляет собой ориентированный граф, который отображает структуру упражнения. Таким образом создание динамических учебных объектов можно рассматривать как создание множества статических объектов-содержания, которые представлены в определенном порядке. Порядок, в котором эти объекты представлены студенту, определяется путем соединения их друг с другом. Этапы и порядок объединения статических объектов называют макро-структурой упражнения. Фактическое содержание шага называют микроструктурой объекта.

Набор инструментов для создания динамических объектов

Панель инструментов для создания динамических объектов содержит все необходимые для создания динамического объекта обучения инструменты.

Кроме этого в правой части панели дается обзор текущего выбранного инструмента и шагов. Щелкнув левой кнопкой мыши по этому обзору можно сбросить выбранный инструмент и шаги. На панели инструментов располагаются следующие инструменты (рисунок 8 - слева направо):

• Выбор: Выбор шага или перехода для просмотра и / или редактирования его микроструктуры.

• Добавить шаг: Добавляет новый шаг к макро-структуре, который затем можно редактировать с помощью выбора инструмента.

• Добавить переход: Добавляет новый переход к макро-структуре, который затем можно редактировать с помощью выбора инструмента, если это условный переход.

• Удалить: Удаляет шаг или переход по щелчку левой кнопкой мыши.

• Описание упражнения: Добавить приглашение или описательный текст в упражнение, которое было показано в окне предварительного просмотра.

• Добавить шаблон упражнения: Добавляет заранее определенный набор шагов и переходов на упражнения. Доступны различные шаблоны, которые могут быть выбраны в диалоге.

• Параметры упражнения: Управление параметрами для упражнений. Параметры позволяют создать упражнения, которые не используют фиксированные значения, а переменные для задач и условий перехода.

£

ъ : I $

х .

MS

selection empty

I I empty

Рис.8. Панель инструментов создания динамических объектов.

Таким образом, используя все доступные инструменты e-learning системы Math-Bridge возможно создать полноценный математический курс с интеллектуальной системой взаимодействия с обучаемым. Обладая высокой степенью интерактивности, разработанные курсы способны адаптироваться к потребностям и особенностям каждого обучаемого, увеличивая эффективность и глубину усвоения учебного материала.

Данный проект профинансирован при поддержке Европейской Комиссии в рамках программы Темпус (№ гранта: 543851-TEMPUS-1-2013-1-DE-TEMPUS-JPCR). Эта публикация отражает исключительно взгляды авторов. Комиссия не несет ответственности за любое использование информации, содержащейся здесь

This project has been funded with support from the European Commission. This publication [communication] reflects the views only of the author, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein.

Литература.

1. Захарова И.В., Кузенков О.А., Солдатенко И.С. Проект MetaMath программы ТЕМПУС: применение современных образовательных технологий для совершенствования математического образования в рамках инженерных направлений в российских университетах Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2014. № 10. С. 159-171.

2. Новикова С.В. Проблемы интеграции практико-лабораторных модулей в дистанционный обучающий комплекс среды Learning Space. Международный электронный журнал "Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society)" - 2014. - V.17. - №4. - C.543-554. - ISSN 1436-4522.

3. Новикова С.В. Преимущества компьютерных тренажёров при изучении вычислительных методов. Международный электронный журнал "Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society)" -2015. - V.18. - №2. - C.478-488. - ISSN 1436-4522.

4. Захарова И.В., Сыромясов А.О. Отечественные стандарты высшего образования: эволюция математического содержания и сравнение с финскими аналогами // Вестник ТвГУ. Серия Педагогика и психология. 2016. № 2. С. 140-155.

5. Сосновский С. А., Гиренко А. Ф. Галеев И. Х. Информатизация математической компоненты инженерного, технического и естественнонаучного обучения в рамках проекта MetaMath. Международный электронный журнал "Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society)" -2014. - V.17. - №4. - C.446-457. - ISSN 1436-4522.

6. Медведева С.Н. Разработка компьютерных обучающих систем. Учебное пособие. Казань: Изд-во «Школа», 2011. - 64 с.

7. Савкина А.В., Федосин А.С. Проблемы качества данных в автоматизированных системах коммерческого учета потребления энергоресурсов Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2014. № 2 (26). С. 158-164.