Визуализация данных и знаний в автоматизированных образовательных системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Приднестровский государственный университет им. Т.Г. Шевченко

Визуализация данных и знаний в автоматизированных образовательных системах

П.А. Анисимов, А.А. Коломейчук

В статье представлены графические технологии, используемые в компьютерных системах учебного назначения. К этому классу систем будем относить системы педагогических технологий (ПТ) и технологий, используемых в инфраструктуре процессов обучения [1]. И в тех и других следует различать текстовые, графические и смешанные технологии.

В текстовых технологиях процессы описываются текстами на определенном информационном языке. В графических - средством описания является компьютерная графика. В смешанных выделяют тексто-графические и графо-текстовые технологии, представленные графическими и текстовыми модулями.

В тексто-графической технологии ядром являются текстовые модули, а графические модули используются как вспомогательные. В графо-текстовых ядро составляют графические модули, а текстовые используются как вспомогательные. Графические и смешанные технологии являются средствами визуализации данных и знаний в автоматизированных образовательных системах.

К этому классу систем относится широкий спектр технических и программных средств: обучающие, экзаменующие, экспертные, имитационные (натурные, полунатурные, знаковые), управляющие, мониторинга и др.

При изучении ряда учебных дисциплин графические и графо-текстовые ПТ являются определяющими. К таким дисциплинам относятся: начертательная геометрия, вычислительная геометрия, топология, архитектура, дизайн и др. Текстовые и тексто-графические ПТ преобладают при изучении дисциплин, относящихся к классу символьно-логических (физика, математика и др.). Общими для всех видов технологий являются функции: иллюстративные, обработки результатов, интерпретации результатов и другие. Каждая из этих функций связана с определенными алгоритмами (процедурами), описываемыми слотами в разделе фрейма операторы. Некоторые слоты этого раздела могут содержать имена фреймов, представляющих модули (текстовые и графические) ПТ.

Иллюстративные функции поддерживаются алгоритмами (процедурами) индикации и транспортировки сценариев ПТ, а также их компонент на демонстрационные площадки. Кроме того, они в полном объеме визуализируют адаптированные информационные технологии - когнитивную составляющую ПТ.

Алгоритмы обработки результатов во многих случаях используют методы и модели математической статистики. Они могут быть традиционными или адаптивными и выполняться в том числе мультиагентными системами [2].

Интерпретация результатов в ПТ часто выполняется в виде графических образов и графических текстов.

Для модели процесса обучения, рассмотренной в [3] одна из возможных версий использования ПТ может быть такой, как показано на рис. 1.

Обозначения:

1 - кластер педагогических технологий, 2 - педагогическая технология, 3 - функции, 4 - операторы (алгоритмы, процедуры), 5 - процесс обучения, 6 - семантическая сеть, 7 - результаты, 8 - агентная сеть, 9 - вычислительная сеть, 10 - кластер данных и знаний.

Рис. 1. Модуль процесса обучения

визуализация автоматизированный образовательный

Педагогическая технология (2) извлекается из кластера ПТ, демонстрируется и представляется деятелем (преподавателем) участникам (обучающимся) процесса обучения, моделируемого блоком (5). В процессе выполнения технологии активизируются слоты (3),(4), описывающие функции и процедуры (операторы). С этими слотами связана семантическая сеть (6), представляющая, например, предметную область обработка результатов, или интерпретация результатов, которая активизируется. Вследствие этого некоторым вершинам семантической сети, идентифицируемым как понятия или переменные, приписываются (или корректируется) определенные значения (лингвистические или количественные), т.е. семантическая сеть переходит из одного состояния в другое. За состояниями семантической сети “наблюдают” агенты, образующие мультиагентную сеть (8). Каждый агент этой сети контролирует одну или группу вершин семантической сети. При обнаружении изменений в релевантных ему вершинах он начинает действовать, т.е. выполнять предписанные ему действия (операции). Эти операции поддерживаются вычислительной сетью (9), связанной с семантической сетью. Результаты работы агентов, а также блока (5) в виде данных и знаний пополняют кластер (10). В свою очередь блоки (5),(6),(8),(9) получают необходимую для них информацию из (10).

Описанная выше схема взаимодействия ПТ с сетями (семантической, вычислительной, мультиагентной) решает задачу предварительной обработки данных. Вторичная обработка осуществляется на более высоких уровнях процесса обучения, чем процессуальный. Например, при различных видах мониторинга, принятии оперативных, тактических и стратегических решений.

Применение графики в учебных компьютерных системах не только увеличивает скорость передачи информации учащимся и повышает уровень ее понимания, но и способствует развитию таких важных для специалиста любой отрасли качеств, как интуиция, профессиональное "чутье", образное мышление.

Человеческое сознание использует два механизма мышления. Первый механизм мышления позволяет работать с абстрактными цепочками символов, с текстами и т.п. Второй обеспечивает работу с чувственными образами и представлениями об этих образах. Физиологически логическое мышление связано с левым полушарием человеческого мозга, а образное мышление - с правым полушарием.

В настоящее время интерактивная компьютерная графика (ИКГ) - это одно из наиболее бурно развивающихся направлений новых информационных технологий. Различают две функции ИКГ: иллюстративную и когнитивную (рис. 2).

Иллюстративная функция ИКГ позволяет воплотить в более или менее адекватном визуальном оформлении лишь то, что уже известно, т.е. уже существует либо в окружающем нас мире, либо как идея в голове исследователя. Когнитивная функция ИКГ состоит в том, чтобы с помощью некоего ИКГ-изображения получить новое, т.е. еще не существующее даже в голове специалиста знание или, по крайней мере, способствовать интеллектуальному процессу получения этого знания.

Наиболее актуальными принято считать следующие задачи когнитивной компьютерной графики:

· создание моделей представления знаний, в которых была бы возможность однообразными средствами представлять объекты, характерные для логического и образного мышления;

· визуализация тех человеческих знаний, для которых пока невозможно подобрать текстовые описания;

· поиск путей перехода от наблюдаемых образов-картин к формулировке некоторой гипотезы о тех механизмах и процессах, которые скрыты за динамикой наблюдаемых картин.

Рис. 2. Иллюстративная и когнитивная функции компьютерной графики

Перечислим 7 способов отображения физических характеристик: 4 способа - для визуализации скалярных полей и 3 способа - для отображения векторных характеристик, таких как напряженность или магнитная индукция электромагнитного поля, линии потока в аэрогидродинамике, распределение усилий или армирующего набора в силовых конструкциях:

· сплошные цветографические изображения;

· линии равного уровня;

· точечные изображения;

· полигональные сети;

· изображения в виде ориентированных отрезков переменной длины;

· изображения в виде коротких ориентированных отрезков постоянной длины;

· изображение в виде ориентированных решеток.

Для выработки рекомендаций по рациональному использованию указанных выше способов графического отображения была проведена их сравнительная оценка применительно к задачам проектирования силовых конструкций. Оценка проводилась по комплексному критерию , где n - количество частных критериев; - оценка по частному критерию, ; - весовой коэффициент, учитывающий значимость соответствующего критерия, .

В качестве частных критериев использовались 8 показателей, характеризующих следующие аспекты рассматриваемых способов отображения: адекватность целям и содержанию проектирования силовых конструкций; адекватность методикам обучения, реализованным в учебных прикладных программах; естественность и доступность для восприятия человеком; удобство для анализа качественных закономерностей распределения параметров; эстетическая привлекательность; простота управления построением изображения; быстрота формирования изображения; алгоритмическая простота.

Исследование проводилось с помощью экспертных оценок метода Дельфи. В качестве экспертов привлекались преподаватели вузов и инженеры, разработчики и пользователи учебной и промышленной САПР силовых конструкций. Результаты исследований показывают, что при интерактивном проектировании силовых конструкций для отображения скалярных характеристик целесообразно использовать точечные изображения, а для отображения векторных полей - ориентированные решетки (рис. 3).

Скалярные изображения

Векторные изображения

Рис 3. Результаты исследований эффективности различных способов визуализации.

Литература

1. Анисимов П.А., Ваграменко Я.А., Голубова Е.В. Педагогическая технология: системный подход \\ Педагогическая информатика, 2007, №4.

2. Романов В.П. Интеллектуальные информационные системы в экономике. М.: Экзамен, 2003.

3. Анисимов П.А., Ваграменко Я.А., Саломатина Е.В. Об одном подходе к синтезу механизма обучения в вузе. \\ Педагогическая информатика, 2003, №3.

Размещено на Allbest.ru