Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

«КИЄВО-МОГИЛЯНСЬКА АКАДЕМІЯ»

Корень Олександр Миколайович

УДК 004.4:681.518:37.0:004.738.5

ПРОГРАМНІ ЗАСОБИ РЕАЛІЗАЦІЇ ОСВІТНІХ ПЛАТФОРМ

НА БАЗІ SEMANTIC WEB

01.05.03 - математичне та програмне забезпечення

обчислювальних машин і систем

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2011

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана на кафедрі інформатики факультету інформатики Національного університету “Києво-Могилянська академія”.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Глибовець Микола Миколайович,

Національний університет “Києво-Могилянська академія”

МОН України, м. Київ,

декан факультету інформатики

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України,

доктор фізико-математичних наук, професор

Перевозчикова Ольга Леонідівна,

Інститут кібернетики НАН України, м. Київ,

завідувач відділу автоматизації програмування

кандидат технічних наук, доцент

Олецький Олексій Віталійович,

Національний університет

“Києво-Могилянська академія” МОН України,

доцент кафедри мультимедійних систем

Захист відбудеться “___” _________ 2011 р. о _____ на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.062.11 Національного авіаційного університету за адресою: 03680, Київ, пр. Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Київського національного авіаційного університету за адресою: 03680, Київ, просп. Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий “___” _________ 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ю.М. Крамар

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Террі Андерсон і Деніс Вайтлок ввели поняття Educational Semantic Web (ESW) - термін, котрий використовується для позначення впливу технології Semantic Web (SW) на освітній процес. ESW базується на 3-х основних характеристиках. Першою є здатність до ефективного збереження та пошуку інформації. Другою є здатність автономних агентів до пошуку і обробки інформації для покращення навчання людей. Третьою є здатність Інтернету підтримувати та розширювати можливості комунікації людей, не зважаючи на місце і час.

Лора Аройо , відповідаючи на питання, що нам потрібно для реалізації ідеї ESW наводить дві головні вимоги: з одного боку, потрібно домогтися інтероперабельності між різними освітніми системами, а з іншого боку, мати автоматичну, структуровану та уніфіковану авторську підтримку їх створення.

Щоб домогтися інтероперабельності, варто зробити ставку на семантичну концептуалізацію та онтології, спільний стандартизований комунікаційний синтаксис, великомасштабну сервісно-орієнтовану інтеграцію навчального контенту і функціональний супровід та використання.

На вирішення цих задач і спрямовані дослідження даної дисертації.

Авторами української школи програмування (П.І. Андон, А.В. Анісімов, Д.Б. Буй, М.М. Глибовець, С.С. Гороховський, А.Ю. Дорошенко, С.Л. Кривий, К.М. Лавріщева, О.А. Летічевський, М.С. Нікітченко, О.Л. Перевозчикова, В.Н. Редько, Г.О. Цейтлін) створені нові алгоритми, методи, методології, технології розв'язання проблеми інтелектуалізації програмних систем обробки інформації. Особливого розвитку набула технологія використання мобільних агентів та онтологічних систем для побудови програмних систем підтримки електронного навчального середовища, запропонована М.М.Глибовцем, яка розвивається на кафедрі інформатики факультету інформатики Національного університету “Києво-Могилянська академія”.

Мета даної технології полягає в створенні універсального середовища для обміну даними та додаванні структури або смислу до даних, таким чином забезпечуючи інтелектуальну навігацію, персоналізацію, ефективну обробку запитів та знаходження інформації. ЕSW передбачає вираження інформації в точній, машинно-інтерпретованій формі, яку інтелектуальні агенти зможуть використовувати для обробки, аналізу та повторного використання, так само, як і для розуміння понять, що описують дані. Це б дозволило веб-орієнтованим застосуванням працювати як на синтаксичному, так і на семантичному рівні.

Наразі виділяють декілька основних ідей, які переважають при застосуванні технології Semantic Web в конструюванні освітнього середовища.

В екологічному підході до розробки електронних освітніх середовищ, запропонованому Джорджем МакКалаком, інформація про веб-контент прикріплюється до контенту, як тільки користувач отримує доступ до цього контенту. Ключові технології, що лежать в основі цього підходу, полягають у моделюванні поведінки користувача (конкретно в освітній сфері це буде моделювання поведінки студента), а також в кластеризації даних та видобутку інформації.

Ще одна школа науковців, ідеї якої висвітлює Роб Копер, досліджує питання: як відобразити електронний курс формальним, семантичним шляхом так, щоб він був проінтерпретований комп'ютером аналогічно людині. Цей процес вони позначили терміном “Educational Modelling”. Семантична модель розробляється за допомогою багатьох методів: літературне дослідження, групові обговорення експертів, верифікаційні сесії, та ін., і результати описуються за допомогою мови формального моделювання, наприклад, UML. Діаграми класів UML можуть бути трансльовані у RDF-Схеми і/або Web Ontology Language.

На зміну цій тенденції прийшов IMS Learning Design. Середовище складається з навчальних об'єктів і сервісів, які будуть використовуватись протягом виконання дій. Яка роль отримує яку дію і в який момент процесу, визначається методом або нотифікацією навчального дизайну.

Ці три напрямки розробляються у дисертаційній роботі, що й визначає актуальність теоретичної частини дисертаційного дослідження.

Європейською дослідницькою ініціативою був запропонований освітній проект “Elena project” (http://www.elena-project.org). Основною метою цього проекту є розробка так званих „розумних просторів для навчання”, що пропонують інтелектуальні сервіси для користувачів, забезпечують простий інтерфейс доступу та використання різноманітних освітніх систем та репозиторіїв.

Можна виділити й створення одного з перших освітніх порталів, побудованого на основі технології SW - порталу SEAL(СЕмантичний портАЛ).

Усі проекти знаходяться в стадії розвитку. Оптимізація роботи подібних розробок визначає практичне значення дисертаційного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з планами наукових досліджень та науковими темами кафедри інформатики національного університету “Києво-Могилянська академія”:

“Розробка принципів застосування інтелектуальних агентів в інформаційних системах” (№ 0105U006983, 2005-2009р.р.); “Комп'ютерні системи підтримки електронного навчання” (№ 0105U006982, 2005-2009р.р.); “Методи та засоби забезпечення інтероперабельності систем електронної освіти, що базуються на технологіях ВЕБ” (№ 0105U006980, 2005-2009р.р.); “Моделі та засоби декларативного керування ВЕБ орієнтованими інформаційними системами на основі аналізу метаданних” (№0105U006975, 2005-2009р.р.); “Створення програмної платформи підтримки автоматизованої системи управління навчальним закладом” ( № 0109U000678, 2009-2010р.р.); гранта програми ТЕМПУС-ТАСІС IB_JEP25142-2004 “Training Courses for Kyiv-Mokyla Collegia Network (Міжрегіональні ІТ-тренувальні курси для мережі колегіумів НаУКМА)”(2005-2008).

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є розробка та дослідження програмних систем підтримки колаборативного електронного навчального простору інтелектуального типу (КЕНПІТ), базованого на ESW.

Досягнення мети пов'язано з розв'язанням таких задач: проведення порівняльного аналізу програмних систем розробки та підтримки ESW; розробка архітектури порталу КЕНПІТ; розробка моделі та реалізація прототипів системи управління навчальним процесом (СУНП) та системи управління навчальним контентом (СУНК); розробка моделі та реалізація прототипу репозиторія навчальних матеріалів як компонент повторного використання, розробка архітектури та інформаційної моделі електронного портфоліо; розробка методології створення розвинутих інтернет програм на основі Adobe Flex 2.0.

Об'єктом дослідження є програмні системи підтримки колаборативного електронного простору.

Предметом дослідження є освітні системи.

Методи дослідження. У роботі використано методи Semantic Web та об'єктно-орієнтований підхід.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

o розроблено методологію побудови КЕНПІТ (колаборативного електронного навчального простору інтелектуального типу);

o розроблено архітектуру освітньої платформи на базі технології SW;

o розроблено метатехнологію створення програмної системи підтримки колаборативного навчального простору як розподіленої системи на базі технології трирівневої клієнт-серверної архітектури;

o створено модель та методологію розробки репозиторіїв навчальних матеріалів інтелектуального типу;

o на основі технології Adobe Flex 2.0 розроблена методологія побудови розвинутих інтернет-програм (РІП) за моделлю розподілених функцій.

Практичне значення одержаних результатів:

o розроблено інструментальний засіб створення SCORM - сумісного навчального пакету;

o реалізовано прототип керування програмною системою підтримки електронної освіти на базі ESW;

o створено електронне портфоліо, яке використовувалося для підтримки роботи міжнародних проектів факультету інформатики Києво-Могилянської академії;

o переваги та ефективність використання запропонованої методології побудови РІП продемонстровано на прикладі розробки набору віджетів (часи, новини, калькулятор, блокнот, список задач) та панелі їх налаштування в освітній платформі.

Особистий внесок здобувача. Усі основні результати дисертації одержані автором самостійно. Спільно з Глибовцем М.М. визначено задачі та спрямовано проведені дослідження. В інших спільних роботах автором виконано: у роботі [2] - проектування моделі програмної системи підтримки дистанційної освіти; у роботі [3] - програмна реалізація репозиторію згідно з розробленою моделлю; у роботі [5] - розробка архітектури електронного портфоліо для застосування у навчальному процесі; у роботі [6] - розробка методології побудови розвинених інтернет програм з використанням технології Adobe Flex.

Апробація результатів дисертації. Результати проведених досліджень обговорювались на конференціях та семінарах факультету інформатики Національного університету “Києво-Могилянська академія”, Інституту кібернетики НАН України. Основні наукові результати доповідались на наступних наукових конференціях:

o XVII Міжнародна наукова конференція студентів і молодих учених, Класичний приватний університет, м. Запоріжжя. 09-10 Квітня 2009р.;

o Десята міжнародна науково - практична конференція СИЭТ 2009 (Современные информационные и электронные технологии), Одеський національний політехнічний інститут, м. Одеса. 18-22 Травня 2009р.;

o Четверта Міжнародна конференції ІТЕА-2009 "Нові інформаційні технології в освіті для всіх: інноваційні методи та моделі", Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій та систем НАН і МОН України, м. Київ. 24-26 Листопада 2009р.;

o V Міжнародна науково-практична конференція "Інформаційні технології в наукових дослідженнях і навчальному процесі", м. Луганськ, 17-19 Листопада 2010р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 статей у фахових виданнях наукових праць, які затверджені ВАК України; 4 публікації у збірках матеріалів науково-практичних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (92 найменування), додатків А, B, С, D, E, F, G, H, I, J, K. Загальний обсяг роботи становить 204 сторінки, основний текст роботи викладено на 134 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, наведено короткий огляд основних результатів та відкритих проблем досліджуваної галузі, сформульована мета дисертації, описані отримані результати, відмічено їх новизну та практичне значення. Вступ також містить огляд структури дисертації.

У розділі 1 описано визначення базових понять, пов'язаних з тематикою дослідження, проведено порівняльний аналіз ESW-систем з традиційними системами електронного навчання.

У підрозділі 1.1 зазначено, що під КЕНПІТ (колаборативним навчальним простором інтелектуального типу) розглядається процес взаємодії, у якому викладачі (виробники контенту) та слухачі (споживачі контенту) співпрацюють за допомогою спеціалізованих інтелектуальних програмних агентів, які інтегруватимуться до інтерфейсу користувача та виконуватимуть у фоновому режимі потрібні операції, залежно від контексту. Вони матимуть доступ до всіх інформаційних ресурсів і забезпечуватимуть користувачів наявними на платформі знаннями та будуть автоматично поповнювати останні.

Функціональність багатьох систем електронного навчання використовується лише частково різними категоріями користувачів. Певні дослідження взаємодії користувачів та технологій показують, що інформаційне перенасичення є одним із найбільш вузьких місць таких систем, особливо в недосвідчених користувачів, до яких можна віднести й користувачів систем електронної освіти. Тому пропонується розробка адаптивного інтерфейсу користувача, здатного прилаштовуватися під кожного окремого користувача, розкриваючи наявну функціональність поступово, відповідаючи функціональним вимогам всіх категорій користувачів.

КЕНПІТ будується таким чином, щоб поліпшити життєвий цикл контенту і поєднати його із життєвим циклом знань, дозволяючи у взаємодії (імпліцитній чи експліцитній) покращувати контент та його семантику, обмінюватися мета-знаннями стосовно наявного контенту та інтегрувати інформаційні ресурси до робочого середовища користувачів, із забезпеченням для них актуальної інформації у ненав'язливий спосіб.



Зазначені вище пріоритети потребують рішення із гнучкою архітектурою. У більшості випадків для цього пропонують компонентно-орієнтовану архітектуру, (рис.1) у якій основна функціональність реалізована такими модулями, як джерело даних, модель контексту та сегментаційний двигун, яка може бути поширена інтеграцією таких нових модулів, як семантичні індексатори та перетворювачі (конвертери). Ключовим елементом тут є “брокер контенту”, який контролює комунікацію і потік даних між різними модулями та використовує прийняття рішень на основі правил для контролю над потоком дій між вхідними і вихідними даними.

Покращене інформаційне поширення, а відтак і взаємний обмін знаннями, реалізовані за допомогою вбудованого в робочому середовищі користувачів системи семантичного агента.

Метою дисертаційної роботи було прототипне втілення запропонованої функціональності в спеціалізованій платформі.

Використовуючи систему електронного навчання на основі принципу КЕНПІТ, кожен виробник контенту отримує спеціалізований інструмент із вбудованим інтелектуальним агентом, наведеним вище. Персоніфікований інтерфейс користувача надає йому функції залежно від його профілю, а також повідомляє йому про потенційно потрібний новий контент. Автор тоді використовує наявну функціональність або безпосередньо вимагає більшої функціональності редагуванням свого профілю функціональності. Використання або невикористання наявної функціональності надає системі дані зворотного зв'язку і дозволяє надалі виявляти потенційно корисні (чи некорисні) функції пропонуючи активувати (чи деактивувати) їх користувачеві. Початкові засади функціональності визначатимуться за допомогою помічника у створенні профілю користувача.

У підрозділі 1.2 сформульовано базові вимоги до програмних систем підтримки ESW. Визначено, що їх ефективна реалізація насамперед залежить від розвитку програмних засобів дистанційного доступу до продуктів інформаційного забезпечення навчального процесу, тобто, розвитком комунікаційних технологій і засобів роботи з розподіленими базами зберігання знань. Тобто, це повинен бути програмний комплекс корпоративного типу.

Параграф 1.2.1 висвітлює вимоги до архітектури системи, а 1.2.2 - вимоги до реалізації системи.

У підрозділі 1.3 розглядається застосування Semantic Web до створення освітніх платформ.

У таких областях, як наука й освіта, велика різноманітність інформації (наукової, освітньої, організаційної), форматів, інформаційних систем і думок приводить до необхідності створення системи з особливою інфраструктурою, що визначає методи подання, обміну й інтеграції даних, ресурсів та їх метаописів у системі, що й розглядається у розділі 2.

Підрозділ 2.1 висвітлює нові можливості використання ESW для побудови сучасних освітніх платформ:

Збереження і пошук інформації: Для полегшення пошуку, аналізу й обробки інформації використовують метадані, що організовуються в різних взаємозалежних онтологіях, та дескриптори, за допомогою яких позначаються ці дані. Здатність Semantic Web додавати смисл до інформації, надає широкі можливості для навчання, моделювання та дій реального часу де-небудь в розподіленій мережі.

Агенти: Educational Semantic Web використовує велику кількість агентів, студентів і викладачів, контенту для покращення викладацького/навчального процесу.

Комунікація: електронна навчальна платформа може додати ефект „віртуальної присутності”, уподібнюючи середовища віртуальної реальності до справжньої роботи і навчального процесу.

Зрозуміло, що важливе місце в реалізації зазначеної вище освітньої парадигми буде займати семантичний портал. Під семантичним порталом розуміється інформаційний портал, що містить дійсне (у формі онтологій) представлення власної структури й моделі предметної області, а також такий, що реалізує збір і публікацію інформації в форматі Semantic Web.

На даний час можна виділити наступні основні напрямки розвитку функціональності семантичних порталів: багатоаспектний пошук і навігація, можливість еволюції й розширення структури інформації, колективне розширення структур і видів членами співтовариств, підтримка порталу шляхом агрегування децентралізованих джерел, міжпортальна інтеграція.

Відома проблема, коли до одного й того ж базового інформаційного порталу мають доступ співтовариства з різними інтересами. У таких ситуаціях доступ може потребувати зовсім різних навігаційних структур, можливостей пошуку й подання інформації. Поява таких ситуацій ставить дві взаємозалежні проблеми. По-перше, відмінність потреб нових співтовариств від вихідної (базової) структуризації порталу вимагає не просто додавання нових зв'язків на сторінці, понять або полів у пошуковій формі, але радикального розширення індексування інформації, що, у свою чергу, ставить питання модифікації інтерфейсу й доступу. По-друге, не можна очікувати, що центральна організація, котра керує порталом, самостійно зможе адаптувати його для всіх потенційних груп користувачів, оскільки навіть просте узгодження колекції інформації і її структури може перевищити наявні ресурси центральної організації.

Обидві ці проблеми можуть бути вирішені з використанням децентралізованого підходу до спільного використання даних і онтологій, що лежить в основі Semantic Web.

система електронний навчання данні

Запропонована в роботі базова архітектура семантичного порталу представлена на рис. 2. Ключовими компонентами даної інфраструктури є агрегатори й засоби перегляду. Агрегатори одержують дані з різних джерел, фільтрують і інтегрують усю доступну інформацію. Засоби перегляду використовують для генерації web-сайту порталу онтології, шаблони й дані. Заснований на web-доступі засіб редагування дозволяє задовольнити вимоги простого входу в систему й уникнути необхідності в засобах локального редагування. Він також повинен управляти онтологіями. Компонент хостингу даних на вибір забезпечує постачальникам інформації можливість додавати анотації й інші дані без підтримки власного web-сайту. Усі ці чотири компоненти можуть бути реалізовані як набір інструментів одного порталу або як децентралізована сукупність незалежних інструментів.

У підрозділі 2.2 мова йде про електронне навчання другого покоління. Термін E-Learning 2.0 використовується для позначення нових підходів до електронного навчання і зумовлений появою Web 2.0. На відміну від звичних систем електронного навчання, у яких пакети з інструкціями пересилались студенту з використанням internet-технологій, а студент читав матеріали і готував навчальні завдання - виконані завдання перевіряє викладач. Нове електронне навчання робить значний акцент на соціальне навчання і програмне забезпечення спільної роботи (блоги, вікі, віртуальні світи).

Часто на практиці не розрізняють суті двох головних підсистем електронного навчання: систему управління навчальним процесом (СУНП) та систему управління навчальним контентом (СУНК). По суті, це взаємодоповнюючі, але дуже різні системи, які обслуговуються різними фахівцями й призначені для рішення зовсім різних бізнес-завдань. Разом із тим, організація ефективної їх взаємодії і визначає ефективність освітньої платформи навчального закладу.

СУНП - це високорівневе, стратегічне рішення для планування, проведення й керування всіма навчальними заходами в організації, включаючи онлайн-навчання, віртуальні заняття й курси, які веде викладач. Основне завдання - заміна ізольованих і розрізнених навчальних програм систематизованими методиками з оцінки й поліпшення компетентності й рівня продуктивності в масштабах організації.

На противагу цьому, основна направленість СУНК - це навчальний контент. Вона надає авторам, дизайнерам й експертам засоби для більш ефективного створення навчальних матеріалів. Головне бізнес-завдання, яке розв'язує СУНК - це створення необхідного контенту за визначений час для задоволення потреб окремих студентів або груп. Перш ніж розробляти безпосередньо курс й адаптувати його для численної аудиторії, дизайнери створюють об'єкти, які багаторазово використовуються, й надають їх всім розробникам курсів в організації. Це виключає дублювання зусиль розроблювачів і дозволяє швидко «збирати» кастомізований контент.

У роботі визначено шляхи їх інтеграції, для організації ефективної підтримки змішаного (колаборативного) навчання та створенням електронного портфоліо.

Обидві системи, СУНП й СУНК, управляють змістом курсів і відстежують результати навчання. Обидва інструменти можуть управляти й відстежувати контент, аж до рівня навчальних об'єктів. Але СУНП, у той же час, може управляти й відстежувати змішане навчання, яке включає онлайн-контент, заходи у навчальних аудиторіях, зустрічі у віртуальних аудиторіях та інше. На противагу цьому, СУНК не може керувати змішаним навчанням, зате може керувати контентом на рівні грануляції нижче навчального об'єкта, що дозволяє організації більш просто здійснювати реструктуризацію й перенацілювання онлайн-контенту. Побудована в роботі СУНК вміє динамічно будувати навчальні об'єкти відповідно до профілів користувачів або стилів навчання. Якщо обидві системи дотримуються стандартів XML, інформація може бути просто перенесена в СУНП на рівні навчальних об'єктів.

Навчальний об'єкт - це ізольована (замкнена) частина навчального матеріалу. Зазвичай він включає три компоненти: досягнення мети, (що студент повинен зрозуміти або чого він досягне, коли завершить навчання), навчальний контент, що вимагається для досягнення мети (текст, відео, ілюстрації, структуровані слайди, демонстрації, симулятори) і різні форми оцінювання, що дозволяють визначити досягнення мети.

Навчальний об'єкт також включає метадані, або теги, що описують його зміст і використання в СУНК. Метадані можуть включати таку інформацію, як автор, мова, рівень версії й іншу.

СУНП забезпечує єдину точку доступу до різних навчальних ресурсів. Це автоматизує адміністрування навчальних програм і відкриває безпрецедентні можливості для розвитку студентів.

Ефективна СУНП забезпечує інфраструктуру, що дозволяє планувати, проводити й управляти навчальними програмами будь-яких форматів на вибір. Вона також підтримує численні засоби розробки курсів і легко інтегрується із провідними СУНК системами. У цій ролі, як каталізатор загального навчального середовища, СУНП може інтегрувати СУНК навчальні об'єкти через технічні специфікації й стандарти та відповідати за керування всього навчального контенту, включаючи програвання й трекинг, зберігання контент-репозиторію, об'єднання й роз'єднання об'єктів контенту, інкорпорацію об'єктів контенту в змішані процеси, трекинг результатів навчання по окремих курсах.

Ключ до успіху інтеграції - це відкрита, інтероперабельна архітектура. У цей час провідні постачальники СУНП й СУНК здійснюють сертифікаційні програми по визначенню сумісності й інтероперабельності між своїми продуктами.

У випадку КЕНПІТ, кожен з учасників процесу навчання може представлятися в вигляді агента. Для створення функціональної моделі мультиагентної системи бажано відслідкувати всі можливі взаємодії в системі, фізична структура якої приводиться на рис. 3.

Зрозуміло, що основу таких взаємодій складає навчальна взаємодія.

Під навчальною взаємодією будемо розуміти будь-які дії слухача або середовища, наслідком яких є отримання знань та навичок слухачем. Можна виділити такі види навчальної взаємодії у системах КЕНПІТ: отримання знань шляхом перегляду навчальних матеріалів з гіпермедійної бази знань, стимуляція навичок (семінари, практичні заняття, лабораторні роботи), спілкування з викладачами, іншими слухачами, системою, оцінювання.

Завдання -- це комунікативна взаємодія, що проводиться з метою оцінювання рівня знань й умінь слухача. Завдання успадковує властивості взаємодії і узагальнює такі поняття як семінар, практична робота, тест, іспит.

Наведена модель дозволяє виділити мінімум основних суттєвих для системи властивостей взаємодій, що дозволяє значно простіше реалізувати КЕНПІТ, покладаючи другорядні для системи функції на інші сутності. При такому підході розробка полягатиме значною мірою в інтеграції відомих засобів з об'єктами системи через визначений набір інтерфейсів.

Стає зрозумілим, що сучасні інформаційні технології надають можливість викладачам та учням створювати, знаходити, оцінювати, повторно використовувати та поділяти електронні матеріали. Як уже зазначалося раніше, суспільство створило спеціалізовані стандарти, які регулюють цей процес. Але кінцеві користувачі не турбуються про сутність стандартів, їх турбує спрощення та певна автоматизація цієї роботи, що дозволить оптимізувати використання та взаємодію навчальних електронних ресурсів. Тому в підрозділі 2.3 описана запропонована реалізація СУНК у вигляді спеціалізованого електронного архіву навчальних ресурсів (репозиторія).

У параграфі 2.3.1 представлена характеристика використаних у роботі технологічних підходів та специфікації DRI (Взаємодіючі Електронні Архіви). Прототип реалізує наступні випадки використання: пошук/представлення (лише запити XQuery), збір(частково), прийняття/зберігання, запит/доставка (лише HTTP).

Аутентифікований розробник матеріалів приймає IMS пакет змісту, що містить метадані та ресурси. Архів приймає та зберігає пакети, а потім повертає унікальний ідентифікатор, за допомогою якого можна потім викликати пакет змісту. Відмітимо, що архів містить лише сам пакет. Уся документація та метадані повинні міститись усередині пакету. Така можливість реалізована функцією Store().

Аутентифікований розробник матеріалів ініціює пошук метаданих в архіві з набором обмежуючих параметрів. Архів повертає набір метаданих, що задовольняє даним критеріям. Користувач переглядає записи метаданих та обирає навчальний об`єкт із архіву, використовуючи його унікальний ідентифікатор. Архів повертає навчальний об`єкт у вигляді IMS пакету змісту, користувач модифікує об`єкт та повертає його на відповідне місце в архіві. Ця можливість реалізована функцією StoreModified().

Розробник/Учень/Шукач даних, шукає метадані в архіві та посилає запити на необхідні ресурси, така можливість реалізована функцією Search().

Програмний агент визначає потенційні архіви для збору даних та розпочинає процес пошуку метаданих у різних архівах, використовуючи ряд параметрів обмежень, що обирають лише нові записи метаданих. Кожен з архівів повертає множину записів метаданих, що задовольняє зазначеним критеріям, які агент зберігає в окремому архіві. Збір частково розроблений.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для полегшення пошуку та використання навчальних ресурсів, вони повинні бути проіндексовані за допомогою певних описових міток. Такі мітки являють собою “дані про дані”, які називають “метадані” (параграф 2.3.2). IEEE LOM Draft Standard визначає набір елементів метаданих, які можуть бути використані для опису навчальних ресурсів. Концептуальна модель даних IEEE для визначення метаданих являє собою ієрархію, представлену деревом. IEEE Learning Object Meta-Data специфікація може містити елементи так званої множини дублінського ядра, яка також використана нами.

Навчальний матеріал повинен бути зібраний та упакований у певній електронній формі для забезпечення ефективного зберігання, розподілу, управління та доповнення.

Враховуючи ці вимоги, був створений спеціалізований фреймворк (рис. 4). Його метою є можливість інкапсуляції усіх необхідних навчальних матеріалів, супровідної інформації та структурованих і розвинених інтерактивних навчальних досвідів.

У параграфі 2.3.4 описано застосований протокол доступ SOAP (звичайний протокол доступу до об'єктів) та відкриті архіви OAI. Параграф 2.3.5 присвячений опису гетерогенного середовища створеного репозиторію.

Структурна схема середовища представлена на рис. 5.

Система добре структурована. Будь-який компонент може бути повністю переписаний без шкоди для всієї системи. Немає жодної проблеми з підключенням систем Windows і Unix, тому що всі критичні точки переходу з'єднуються через HTTP і підтримуючих протоколів. Те ж стосується робочої частини на Java і .NET Framework системи. SOAP-протокол забезпечує просте підключення цих частин.

Поточна версія системи складається з таких модулів (компонентів): загальні класи і структури даних (DRIFramework), сховища (DRIRepository), інтерфейс користувача (DRIClient), Infoseeker інтерфейс, Content Creator інтерфейс, Content Package file асемблер.

Нижче можна побачити моделі (в нотації UML) основних класів у системі.

DRIFramework підсистема складається: DataModel містить загальні структури даних, Util має всі необхідні інструменти для роботи з файлами, SqlAccess має основи для роботи з базами даних SQL, Sys містить глобальні класи.

Які детально представлені на рисунках 6 - 8.

Програмування було здійснено використовуючи Microsoft Visual Studio .NET 1.0, з .NET Framework 1.1. , MSSQL Server 2000. Додатки були розроблені з використанням Microsoft®. NET Framework.

Поточна реалізація системи гарантує відповідь менш ніж за одну секунду для 100 одночасно працюючих користувачів, з пошуком більш ніж 10000 контент-пакетів у сховищі. Продуктивність може бути значно покращена з пакетом агрегатор, і при умові XQuery компонент буде стабільним.

Для реалізації навчальної платформи в повному обсязі в підрозділі 2.4 представлено опис спрощеної моделі та реалізація прототипу загальної схеми керування програмної системи підтримки електронної освіти (СУНП).

Для кращого сприяння, будемо вважати, що після закінчення вступу на навчальну дисципліну студенту видається електронний підручник (курс). Основна навчальна робота студента проходить саме з цим об'єктом. Він проводить слухача по всіх темах курсу, застосовуючи чи case-методи, чи звичайні методи навчання з відповідними тестами після кожного розділу для закріплення знань. Електронний підручник (курс) - це абсолютно автономна система, яка використовує власні методи.

На рисунку 9 показана загальна схема нашої СУНП.

Оскільки ЕП - незалежна програмна одиниця, її спілкування можливе за допомогою спеціалізованого API (прикладного програмного інтерфейсу). Розробці та специфікації такого АРІ присвячений наступний параграф.

ЕП зв'язуються не напряму з сервером баз даних, а зі спеціалізованим сервером, який і обробляє транзакції, слідкує за дотриманням прав доступу, може виступати в ролі збалансовувача навантаження на SQL-сервери. Назвемо такий сервер CDO сервером, а протокол взаємодії сервера та ЕП - протоколом SDLCP (протокол звичайної віддаленої навчальної комунікації).

Як було зазначено вже в попередньому розділі, СУНК може бути інтегрована у СУНП КЕНПІТ вузу. Проте, за відсутності СУНК, можна використовувати простіші бази даних зберігання навчальних матеріалів. Розглянемо останній варіант.

Місце зберігання ЕП назвемо базою даних ЕП. Найкраще реалізовувати його як файловий (ftp) сервер, до якого надається доступ для завантаження ЕП, після отримання відповідних прав доступу. Проте існує досить велика кількість потрібної інформації, яку потрібно зберігати у зовнішній базі даних.

Після створення та ініціалізації баз даних потрібний зручний інтерфейс керування ними.

Під клієнтським API будемо розуміти набір платформо-незалежних класів та зовнішніх програм для зв'язку розрізнених типів ЕП з платформою - сервером СУНП. У загальному випадку головним завданням такого АРІ буде аутентифікація користувачів та підручників на сервері, їх реєстрація та збір статистики навчального процесу віддаленого автономного студента. Цим функціональність АРІ звичайно не обмежується, проте в даній роботі розглядається лише ця базова функціональність.

При такій реалізації протоколу серйозного значення набувають питання безпеки. Оскільки практично вся взаємодія між сервером та клієнтами - це відкриті текстові повідомлення, то така схема потребує насамперед захищеного каналу зв'язку. Тому увесь ip-трафік пропонується пропускати лише по ssl тунелю, використовуючи для цього засоби stunel. Така організація є досить звичною для сучасного системного адміністратора та не потребує ніяких додаткових зусиль. Проте, якщо така схема буде непридатною, потрібно використовувати допоміжну зовнішню утиліту кодування. Можна використовувати готові безкоштовні продукти (Mypgp), або використовувати власну утиліту кодування побудовану на основі алгоритму DES.

Отже, у цьому підрозділі розглянуті принципи та можливості побудови СУНП як розподіленої системи на базі технології трирівневої клієнт-серверної архітектури. Особливістю системи є те, що вона може працювати і як окрема програмна система підтримки електронного навчання. Потрібно лише розробити електронні підручники.

Значну кількість розробок та специфікацій було присвячено можливості навчальних пакетів повторно використовуватись у різних навчальних середовищах. Серед специфікацій виділяються стандарт IMS Content Packaging та стандарт опису навчального об'єкту IEEE LTSC LOM. Власне, лише ці два стандарти дозволяють легко імпортувати навчальний об'єкт до певного навчального середовища, а також дозволяти користувачам знаходити його.

Для розв'язання проблеми суто повторного використання навчальних об'єктів у роботі застосовано давно перевірені та надійні прийоми з розробки програмних комплексів: дотримання мінімальної зв'язності навчального пакету, максимальна когерентність пакету, чітка декомпозиція частин пакету. Структура маніфесту навчального пакету дозволяє користувачеві досягти чіткого представлення частини або повного курсу у вигляді відповідної ієрархії організацій та ресурсів.

Окрім проблеми створення навчального пакету у вигляді компонента повторного використання, є ще одна проблема використання пакету в процесі навчання - проблема педагогічної ефективності. Раніше було заявлено, що для того, щоб пакет був максимально повторно використовуваним, потрібно дотримуватись принципу незв'язності та деконтекстуалізації. Проте, як відомо, максимальну ефективність від навчання можна отримати лише тоді, коли учень поставлений в контекст реальної задачі в навколишньому світі. У технічному аспекті це означає, що ресурси навчального пакету мають посилатися на зовнішні ресурси для створення реального контексту задачі. Проте це суперечить певним принципам побудови модульності пакету. Отже, маємо певну суперечність, яка є нерозв'язною в певному сенсі.

Для розв'язання цієї проблеми було застосовано підтримку розумного балансу в навчальному пакеті контекстно-залежних та контекстно-незалежних ресурсів, а також надання можливості швидко встановити контекст для навчальних матеріалів безпосередньо після імпорту до СУНК.

Головною задачею підрозділу 2.5 є опис розв'язання поставлених вище проблем у вигляді адаптаційної моделі налаштованого компонента повторного використання.

На сьогодні в різних навчальних середовищах, моделі представлення навчальних матеріалів можуть бути різними. В ILIAS, наприклад, навчальні матеріали та ресурси можуть бути представлені як у вигляді курсу, на який записуються та проходять, так й у вигляді електронної бібліотеки або просто директорії ресурсів. Проте так чи інакше, усі ці ресурси при експорті до інших систем, компонуються в певний навчальний пакет, який має універсальну структуру. З часом, усі розробники зійшлись на тому, що для універсального опису матеріалів найкраще всього розміщувати інформацію в одному файлі у вигляді метаданих, що підтримує давно відомий принцип метапрограмування.

Проте і тут виникла проблема, яку зазначено вище: якщо кожен розробник підтримує лише свій тип метаданих - це унеможливлює імпорт/експорт навчальних матеріалів до систем сторонніх розробників. Ця проблема була вирішена використанням рекомендацій стандарту IMS Content Packager, а також рекомендаціями та вимогами SCORM CAM.

Для прозорості представлення електронного підручника (курсу) було розроблено власну модель, яку можна застосовувати безпосередньо для інструментальних засобів по створенню навчальних пакетів.

У таблиці приведено відображення понять, що декларуються SCORM та IMS, введених для задання ієрархічної структури навчального пакету.

Таблиця. Відображення понять специфікації у контексті застосування.

Офіційні поняття специфікацій	Відображені поняття
Пакет вмісту (Content Package)	Навчальний пакет
Маніфест (Manifest)	Структура навчальних матеріалів
Метадані (Metadata)	Анотація навчального пакету
Організації (Organization)	Розділ
Предмет (Item), контейнерний тип	Підрозділ
Предмет (Item)	Сторінка, навчальний об'єкт
Ресурс (Resource)	Ресурс

Далі розглянуто кожен елемент навчального пакету більш детально та сформовано підмножину тих елементів, які будуть надані в розпорядження інструментального засобу. При цьому створено таку підмножину специфікації SCORM-сумісного навчального пакету, яка може сприйматись багатьма існуючими навчальними середовищами та іншими програмними засобами.

У розділі 3 описано запропоновані в роботі підходи до реалізації електронного порфоліо (ЕПФ). Для підтримки імплементації ЕПФ Європейський інститут дистанційної освіти у 2005 році створив Консорціум Європортфоліо, метою якого є трансформація сучасних поглядів на освітні технології.

Наразі розроблено чимало систем та інструментів для створення та підтримки ЕПФ. Вони успішно випробовуються і наразі використовуються в багатьох навчальних організаціях. Однак, ця царина дослідження все ще досить нова, а більшість таких систем розроблялася без урахування міжнародних стандартів та специфікацій.

В підрозділі 3.1 проаналізовані основні з поширених нині стандартів (специфікації) IMS Learner Information Packaging, IMS e-Portfolio, HR-XML Resumй, X/HTML, RDF та інші.

Традиційно розрізняють електронне портфоліо (eP) та систему управління електронними портфоліо (ePMS). Проблема створення сучасних систем портфоліо полягає у нерозумінні багатьма розробниками ЕПФ того, що функціональність ePMS виходить за межі хостингу електронних портфоліо. Насправді, має відбуватися цілком протилежне: основною функцією ePMS є не розміщення e-folio, а керування процесом, у якому використовується або створюється електронне портфоліо. Приклад структури ePMS зображено на рисунку 10.

ePMS розглядається як інструмент, основною функцією якого є створення ЕПФ для конкретної цілі й у межах конкретного контексту.

Наступним елементом в архітектурі системи за EIfEl є органайзер електронного портфоліо (ePO). На відміну від ePMS, ePO належать окремим особам. Вони надають можливість створювати і управляти своїм цифровим профілем. Органайзер ЕПФ можна розглядати як деяке “дзеркало”, яке забезпечує зворотній зв'язок із своїм власником або дає вихід на зовнішній світ у формі електронного портфоліо.

Одним із найбільших недоліків у сучасних технологіях органайзерів електронних портфоліо є те, що, незважаючи на можливість збирання та виставлення тегів на даних, немає інструменту надання зворотного зв'язку подібно “дзеркалу”. Тому необхідно розробити технології динамічного аналізу електронних портфоліо за допомогою видобування даних і просторового подання.

Далі наведено власне бачення архітектури програмної системи підтримки електронного портфоліо.

Перш за все, наголошено на значенні ЕПФ в електронному навчанні. ЕПФ зв'язує дві основні підсистеми програмної системи підтримки електронного навчання (рисунок 11) але не належить повністю жодній з них.

Рисунок 12 відображає найпростішу архітектуру системи управління електронними портфоліо, яка буде ефективною для розробки.

У процесі проектування, прагнули долучити до цієї архітектури всі елементи, необхідні користувачеві для створення, підтримки та розробки власного портфоліо.

Усі елементи електронного портфоліо включені до однієї системи керування, імплементація якої в систему електронного навчання полегшить користувачам роботу зі своїми портфоліо. Система, перш за все, безпосередньо надає доступ до ЕПФ і забезпечує комунікацію між користувачем (власником) і всією системою.

Всі записи, створені у системі, зберігаються або у базі даних портфоліо (існує для електронних повідомлень, конфігурації, зберігання посилань), або у файловому репозиторії (існує для різних елементів портфоліо, частин робіт користувача, і, як зазначено IMS, продуктами, які являють собою все завантажене раніше до портфоліо).

Головними рисами електронного портфоліо є сервіси. Як зазначено вище, у поєднанні вони можуть формувати або систему СУНП, або СУНК, або розроблятися незалежно.

Описана система досить проста і містить всі необхідні елементи для ефективного навчання, роботи або особистого розвитку. Вважаємо, що така архітектура може бути легко поєднана з іншою програмною системою підтримки електронного навчання, у певних аспектах може використовуватися як система управління контентом.

У підрозділі 3.3 описано організацію даних у системі. Використано специфікацію інформаційної моделі Глобального консорціуму із навчання. Основним приводом застосування специфікації в даній розробці була потреба в забезпеченні інтероперабельності програмної системи підтримки електронного портфоліо з іншими системами, що підтримують електронні портфоліо.



Файл маніфестації для пакету електронного портфоліо - це XML-репрезентація всього портфоліо, де кожен елемент портфоліо постачається як ресурс із пакету контенту.

Портфоліо складається з п'яти компонентів. По-перше, воно містить зібрання гетерогенних Частин (Parts, або як їх ще називають, Елементів - Items), які використовуються для створення цінних якостей портфоліо. Другий компонент асоціюється із Власником (Owner), автором портфоліо. Далі, портфоліо містить набір Відношень (Relationships) між частинами. Ці відношення визначають, яким чином елементи портфоліо синтезуються в одне ціле і як вони можуть інтерпретуватися системами, що підтримують використання та розробку електронних портфоліо. Четвертою компонентою є Презентації (Presentations), інструкції щодо того, яким чином і в якій послідовності цільова аудиторія має отримувати враження від портфоліо, уточнення щодо гіпертекстової структури і візуального дизайну. Нарешті, для полегшення перенесення даних, портфоліо також може містити Представлення (Views), які є, по суті, вибірками елементів, відношень та презентацій для конкретної цільової аудиторії або досягнення певної мети. Розроблене в роботі ЕПФ має структуру представлену на рисунку 13.

У підрозділі 3.4 описано процес розробки модуля електронних портфоліо

Структура eFolio

На рисунку 14 зображено структуру розробленого eFolio, впроваджену для Joint European Projects Portal (www.jep.ukma.kiev.ua).

Як бачимо, Користувач (User) є основним фігурантом у цій системі. Він є власником портфоліо і керує ним. У портфоліо користувач може зберігати Профіль (Profile), який складається із особистої інформації, контактів, поставлених цілей, навичок і резюме. Вся ця інформація ідентифікує власника e-folio.

Але, будучи загальнодоступним, такий профіль може допомогти зацікавленим особам скласти певне уявлення про власника портфоліо.

Користувач може підтримувати Особисті Нотатки (Personal Notes) або Блог (Blog), як його зазвичай називають. Ця можливість дозволяє йому самостійно осмислювати власну роботу, елементи портфоліо, процес свого навчання тощо.

Файловий репозитарій (File repository) створений із метою полегшити користувачеві управління письмовими роботами, документами, зображеннями або будь-якими іншими матеріалами.

Іншою важливою частиною електронного портфоліо є Представлення, (View). За замовчуванням всі частини портфоліо зроблено закритими, поки його власник не визначить щось інше. Представлення - це певний спосіб дозволити аудиторії переглядати портфоліо користувача саме так, як користувач хоче, щоб його переглядали.

Налаштування портфоліо (Portfolio Settings), які не пов'язані з користувачем й організацією портфоліо, відіграють роль інструмента керування такими загальними налаштуваннями, як: привітання, права доступу, експорт/імпорт e-folio тощо.

Останньою функцією є Пошук (Search), який уможливлює перегляд користувачем інших портфоліо, пошук потрібних елементів у власному портфоліо, пошук інформації, доступної в портфоліо інших користувачів.

Модуль портфоліо створено відповідно до цієї структури. Було застосовано сервер Apache, використаний для розміщення порталу. У якості сервера баз даних використовувався MySQL 4.1.16 як один із стандартних серверів для веб-застосувань. Мова PHP була обрана як оптимальне поєднання з іншими інструментами з відкритим кодом, використовуваними в програмуванні, як Apache та MySQL. У процесі розробки використано дві технології Smarty та AJAX. Smarty виявився корисним у розмежуванні коду застосування та подання. Застосування AJAX надало динамічність контенту веб-сторінки.

У розділі 4 досліджено питання використання розвинутих інтернет-програм (РІП) для побудови допоміжних систем в колаборативному навчальному просторі інтелектуального типу.

У підрозділі 4.1 розглядаються базові поняття пов'язані з РІП.

Термін розвиненої інтернет-програми був запропонований компанією Macromedia. Термін виник для позначення концепції, що вже почала формуватися, як назва нового виду прикладних програм в мережі інтернет. Крім терміну „розвинена інтернет-програма”, виникали й інші терміни для позначення таких програм. Зокрема: віддалені сценарії (Remote Scripting), X Internet,розвинені клієнти (Rich clients),розвинені веб-програми (Rich web applications).

Проте термін РІП набув найбільшого поширення.

Розвинені інтернет-програми - це інтернет-програми, які використовують переваги товстого (інтерактивного) клієнта для забезпечення більш інтуїтивно-зрозумілої, швидкодіючої та ефективної взаємодії з користувачем.

РІП поєднують у собі риси настільних прикладних програм, традиційних веб-програм та краще з інтерактивного мультимедійного зв'язку. РІП перейняли від настільних прикладних програм такі риси як: потужна функціональність інтерфейсу, інтерактивний інтерфейс користувача, швидка реакція інтерфейсу в порівнянні з перевантаженням сторінки, звична поведінка клієнтського інтерфейсу (наприклад drag-and-drop), можливість працювати online та offline.

У РІП збереглися такі риси традиційних веб-програм: доступність і невисокі затрати на встановлення, швидкість встановлення, крос-платформеність, використання прогресивного завантаження для отримання контенту та даних, суттєва підтримка прийнятих Інтернет стандартів.

РІП властиве і широке використання інтерактивного аудіо та відео.

Проаналізовано та сформульовано основні переваги і недоліки РІП. Визначено базові технології їх реалізації: Adobe Flex,Adobe Flash, Adobe Apollo, Java, JavaFX, Windows Presentation Foundation, Ajax (Asynchronous JavaScript and XML).

У підрозділі 4.2 представлена побудована методологія розробки РІП для технології Adobe Flex 2.0. Ця методологія включає в себе використання функціональних можливостей програмного каркасу Flex framework, архітектурного каркасу Cairngorm та практики застосування ряду патернів проектування і розробки.

Як уже було зазначено, клієнтська частина Flex-програми розгортається як бінарний файл, що містить скомпільований байткод програми. Такий файл розміщується на веб-сервері так, як це робиться з HTML файлами чи файлами зображень. Коли від браузера приходить запит на файл, файл завантажується і байткод виконується в середовищі Flash Player.

...