Глава 12. Тема 12. Метод идентификации классов и объектов для объектно-ориентированного моделирования компьютерных обучающих систем

Создание методологии проектирования компьютерных обучающих систем, основанной на системном подходе к использованию современных методов программной инженерии, и совершенствование методов и средств проектирования является для образовательной сферы крупной актуальной научной проблемой. Для решения данной научной проблемы одна из задач — создание метода идентификации ключевых абстракций и механизмов области приложения и разработка на этой основе принципов концептуализации предметной области для моделирования программных систем в образовательной отрасли.

В современной программной инженерии выделяются два основных подхода к разработке программного обеспечения, принципиальное различие между которыми обусловлено разными способами декомпозиции систем: структурный подход (structured approach) и объектно-ориентированный (object-oriented approach). В структурном подходе (функционально-модульном) используется принцип функциональной декомпозиции, при которой структура системы описывается в терминах иерархии ее функций и передачи информации между отдельными функциональными элементами.

Структурный подход не соответствует задаче разработки современных компьютерных обучающих систем, программное обеспечение которых отличается сложностью построения и должно иметь высокие показатели, характеризующие его качество. На сегодняшний день объектно-ориентированный подход — единственный известный метод, позволяющий осуществить разработку подобных систем — нового управляемого событиями программного обеспечения, отличающегося высоким уровнем интерактивности. Тем не менее, опыт разработки некоторых типов компьютерных обучающих систем показывает, что при выборе декомпозиции сложной системы иногда необходимо учитывать оба аспекта: алгоритмический и объектно-ориентированный. Это вызвано тем, что разделение по алгоритмам концентрирует внимание на порядке происходящих событий, а разделение по объектам придает особое значение агентам, которые являются либо объектами, либо субъектами действия.

В результате практических исследований разработан метод идентификации классов на основе синтеза структурного и объектно-ориентированного подхода, который целесообразно применять при проектировании компьютерных обучающих систем. Следует подчеркнуть, что речь не идет о полном конструировании компьютерных обучающих систем одновременно структурным и объектно-ориентированным методами. Это совмещение недопустимо, поскольку принципы структурного проектирования, которое следует за структурным анализом, полностью ортогональны принципам объектно-ориентированного проектирования.

Опишем подход к разработке формального метода идентификации классов и объектов на основе синтеза структурного и объектно-ориентированного анализа.

При рассмотрении данной проблемы был учтен важный момент: поскольку традиционные средства системного анализа связаны с определением данных или спецификацией процессов, они могут быть использованы для поиска объектов. Для этого предлагается использовать следующие средства традиционного системного анализа: диаграммы потоков данных (или их варианты, включающие в себя контекстные диаграммы), диаграммы «сущность-связь» и диаграммы «состояния-переходы». Эти средства охватывают три независимых системных представления: процесс, данные и динамика (или управление). Объектно-ориентированная методика объединяет два из этих аспектов (данные и процесс), инкапсулируя локальное поведение с данными.

С точки зрения применимости для идентификации объектов компьютерных обучающих систем три выбранных независимых системных представления характеризуются следующими свойствами.

• Диаграммы «сущности-связи» (ERD) — сущности представляют объекты, а атрибуты этих сущностей — данные, которые, в конечном счете, должны хранится в объектах. Связи между сущностями определяют создание ассоциативных объектов. ERD сложны для идентификации объектов, не хранящих данные; в эту категорию попадают объекты, распознающие происхождение событий или осуществляющие функцию контроля.
• Модели потоков данных — помогают установить границы системы, что удобно с точки зрения системного анализа. Внешние сущности, идентифицированные в контекстной диаграмме, представляют первичный источник или конечный приемник потока данных и являются кандидатами в объекты.
• Модели «события-ответы» (как форма модели «состояния-переходы») — событийный компонент этих моделей помогает идентифицировать множество распознающих события объектов.
• Дополним метод информационного анализа проектируемых систем лингвистической составляющей. Применение лингвистических принципов к процессу анализа программных систем принято обозначать как лингвистический информационный анализ. Этот метод позволяет выявлять объекты и идентифицировать компоненты объекта как такового.

В предложенном подходе используются два метода лингвистического информационного анализа:

• частотный анализ фраз — поиск в выбранном текстовом ресурсе описания проблемной области для идентификации терминов, которые могут обозначать понятия области приложения;
• матричный анализ – применяется только после идентификации исходных объектов. Это таблица, строки и столбцы которой представляют собой понятия области приложения, которые обычно генерируют исходное множество идентифицированных объектов. Матричный анализ помогает найти объекты, которые не были выделены при первоначальном применении частотного анализа фаз.

Результатом применения частотного анализа фаз к ресурсу области приложения может быть достаточно длинный список понятий, многие из которых окажутся впоследствии иррелевантными. Для систематического пересмотра этого списка и идентификации исходного множества компонентов объектно-ориентированного анализа (объектов, классов, атрибутов и т.д.) предлагается таблица конвертации списка понятий. Введение в таблицу конвертации критериев классификации понятий в соответствии с объектно-ориентированным подходом позволяет использовать результаты анализа таблицы непосредственно для дальнейшего процесса проектирования системы.

В дальнейшем подробный анализ таблицы дает возможность расширить первоначальный набор атрибутов и избавится от ошибочных вариантов. Например, исключить избыточные понятия, которые не несут смысловой нагрузки, присущей объектам, классам и их атрибутам. Использование лингвистического информационного анализа совместно с таблицей конвертации приводит к объектно-ориентированной методике проектирования, так как понятия, выделенные на этапе частотного анализа фаз, классифицируются в таблице по объектному подходу.

Таким образом, для идентификации классов и объектов компьютерной обучающей системы осуществляются следующие этапы:

1. Построение и системный анализ моделей потоков данных.

2. Построение и системный анализ моделей «сущность-связь».

3. Построение и системный анализ моделей «состояние-переход» для всех прецедентов системы.

4. Применение методик лингвистического анализа ранее выделенных потенциальных объектов и классов.

5. Анализ документа-концепции и описания требований к проекту компьютерной обучающей системы с применением методик лингвистического анализа для определения списка понятий предметной области.

Дальнейшие действия по идентификации классов для проектирования компьютерной обучающей системы осуществляются по методологии объектно-ориентированного анализа, поскольку конечной целью будет построение объектно-ориентированной модели предметной области. Для этого выполняются следующие действия:

• определяются критерии анализа списка понятий для компьютерной обучающей системы;
• разрабатывается и заполняется таблица конвертации, идентифицирующая набор элементов и классов для модели объектно-ориентированного анализа проектируемой системы;
• проводится анализ таблицы конвертации, идентифицируются объекты и их начальные атрибуты;
• исключаются избыточные понятия;
• выявляется набор понятий для идентификации основных претендентов на роли действующих лиц, участвующих в эксплуатации компьютерной обучающей системы.

В результате системного анализа структурных и объектно-ориентированных моделей идентифицируются объекты и классы предметной области для компьютерных обучающих систем.

Предложенный метод идентификации ключевых абстракций и механизмов области приложений на основе синтеза структурного и объектно-ориентированного анализа позволяет выполнить выбор множества объектов при проектировании компьютерных обучающих систем, что является непременным условием для повторного применения моделей анализа и проектирования и расширения системы.

12.1. Форма и содержание УМК в контексте новых ИКТ

Появление новых информационных технологий привело к определённым изменениям в образовательном процессе. Электронные учебные издания (ЭУИ) предъявляют дополнительные требования к учителям, использующим их в своей работе. Традиционное обучение строилось в основе своей на учебнике и наглядном пособии, и, таким образом, передача знаний происходила преимущественно с помощью книги и устного слова. Человечество в течение множества столетий вырабатывало методику работы с книгой в виде кодекса. Книга-кодекс детально изучена по всем её признакам и на основе такого изучения она сейчас и конструируется, включая не только художественные, но и эргономические (которые, как и издательские, стандартизованы), и иные параметры. К сожалению, этого пока нельзя сказать об ЭУИ, но работа в этом направлении ведется. При Республиканском мультимедиа центре под руководством Александра Васильевича Осина действует Рабочая комиссия по направлению №3 «Создание электронных средств учебного назначения для общего и профессионального образования», подготовлена «Концепция электронных изданий и ресурсов», в которой предпринята попытка стандартизации процесса разработки ЭУИ. Однако мы не согласны с автором Концепции, что «…время пилотных проектов, разных подходов и диаметральных мнений, исходящих из фрагментарного опыта, закончилось». Это желаемое, но не действительное. Например, принципы формирования учебно-методического комплекса (УМК) для средней школы пока стандартизировать не удаётся.

В этой области прослеживаются две основные тенденции.

1) Всеобщее стремление к интеграции используемых в учебном процессе средств в единые программно-методические комплексы: электронные учебники и обучающие программы, электронные справочники, энциклопедии, средства автоматизации контроля знаний обучающихся, тренажеры. Получаются самодостаточные комплексы, которые можно использовать и на уроке учителем, и при самостоятельной работе учеником. Для их создания привлекаются именитые педагоги-предметники и методисты. Но возникло противоречие: эти продукты (основанные на деятельностном подходе, содержащие различные инновации и т. д. и т. п.) плохо стыкуются с традиционными загрифованными учебниками, по которым привыкло работать большинство учителей.

2) Диалектическая обратная тенденция. Наблюдения последних лет показали, что часто ЭУИ, даже представляющие собой последовательные и самодостаточные учебно-методические курсы, удается эффективно использовать в учебном процессе не как целостный продукт, а как набор отдельных его фрагментов (объектов). Во многом это связано с большим объемом материала, который невозможно задействовать полностью. Учитель в любом случае вынужден выделять из продукта то, что целесообразно использовать в ходе урока. В результате многими учителями-практиками и экспертами было предложено идти по пути декомпозиции ресурса и формирования методик использования фрагментов. В последнее время на федеральном уровне в некоторой степени пытались учесть эту потребность и, среди прочих заказов на разработку ЭУИ, формировали заказы на создание больших коллекций цифровых образовательных ресурсов.

Комплекты ЦОР к действующим учебникам – наиболее простая форма взаимодействия компьютерной и книжной среды: компании-разработчики ЭУИ просто собирают все мультимедийные объекты из уже готовых продуктов и «привязывают» их к действующим полиграфическим учебникам. По сходному принципу подбираются информационные источники сложной структуры (ИИСС) – только это не просто видеоролики или анимации, а справочники и словари, тренажёрные комплексы, виртуальные лаборатории, тематические учебные модули по отдельным разделам учебной программы или межпредметные материалы.

Теперь у учителя есть учебник, есть набор ЦОР или ИИСС к нему – что же дальше? Следующей, более совершенной формой, на наш взгляд, будет УМК, сочетающий в себе традиционные и мультимедийные компоненты, которые будут создаваться одновременно, в рамках единой системы. НФПК уже учредил конкурс на разработку таких УМК. В результате второго тура конкурса выявлено 37 победителей, которые уже ведут работу над своими материалами вместе с издательствами. Однако мы можем только предположить, насколько качественной будет эта разработка – методика и технология создания комплексных УМК пока до конца не проработана.

Создавать УМК намного сложнее, чем отдельные учебные издания, нужно учитывать множество нюансов. В УМК, в котором, кроме традиционных полиграфических, есть мультимедийные составляющие, становится сложнее установить логико-структурные связи между элементами разных материально-конструктивных форм. Действительно, УМК должен представлять систему, все элементы которой функционально связаны и подчинены единым задачам. Каждый составляющий такого комплекса методически продуман, но полностью его дидактический замысел воплощается только в системе, во взаимосвязи с другими изданиями УМК.

Между всеми элементами УМК и их структурными частями должны быть логические связи, а также должна соблюдаться преемственность по отношению к УМК или отдельным учебным изданиям предыдущей ступени (для средней школы – класса). Очень важно не дублировать однородный материал в нескольких составляющих комплекса – это требование кажется простым, но на практике оно очень редко соблюдается. В учебном комплексе, состоящем как из традиционных, так и из мультимедийных элементов, дублирование неизбежно, но это будет дублирование одной информации в разных ее формах: вербальная, визуальная, аудиальная, что способствует более эффективному усвоению знаний. Наиболее очевидное требование – комплекс должен выглядеть как единая система с общей структурой, а для этого необходимо унифицировать понятийный аппарат, терминологию и обозначения, дизайн, навигацию и интерфейс в целом всех компонентов УМК.

Традиционный учебник является важнейшим структурным компонентом УМК, придающим образовательному процессу целостный и системный характер, но для учителя и ученика важны и другие его составляющие: учебные пособия, рабочие тетради, практикумы, хрестоматии, сборники задач, словари и т. д. С их помощью достигаются комплексные цели обучения, а в электронной форме их функциональность может ещё больше повыситься.. Также, помимо полиграфических изданий, учитель на уроке довольно часто пользуется различными техническими средствами обучения (ТСО), демонстрационным и раздаточным материалом. Мультимедийные компоненты УМК берут на себя функции всех этих средств: демонстрационные пособия заменяет разнообразный визуальный материал – презентации, модели и т. п., который можно транслировать через проектор; раздаточные пособия – вариативные задания в сетевых версиях ЭУИ и т. п.

Каждый элемент мультимедийных компонентов УМК является носителем определённого способа познания, а всё в совокупности – объединяется в некую учебную среду, предполагающую достаточно творческое освоение мира. УМК нового поколения, состоящий из полиграфических изданий и компьютерных программ, должен разрабатываться таким образом, чтобы предоставить учителю всё необходимое для проведения полноценных уроков, а учащимся – для плодотворной самостоятельной работы.