Проектирование АОС для слабослышащих

Цель дипломного проекта, создание автоматизированной обучающей системы для слабослышащих.

Создание АОС будет включать в себя следующие стадии.

Рис 2. Стадии создания АОС

К основным свойствам, которые должны характеризовать АОС как программный продукт, можно отнести следующие:

1. Полнофункциональность системы. Инструментарий АОС должен обеспечивать возможность создания системы, которая поддерживает различные формы организации обучения в течение всего цикла обучения (от определения начального уровня знаний обучаемого и его потребностей до итогового контроля знаний).

2. Открытость системы, т.е. предоставление пользователю возможности настраивать систему и расширять ее путем подключения дополнительных исполняемых модулей или замены существующих. Настройка системы должна быть параметрической и алгоритмической.

3. Работа в сети. Подразумевает не только предоставление возможности удаленного доступа к системе, например, в рамках дистанционного образования, но и активное использование вычислительных возможностей, предоставляемых сетью. С учетом требования открытости это означает возможность создания на основе АОС гетерогенной обучающей системы.

Инструментарий разработчика ПО

В нашей дипломной работе использовалось следующее программное обеспечение.

Snagit - утилита для снятия скриншотов с экрана монитора и последующей обработке изображений с обширным набором функций. Кроме получения статических снимков выбранных областей на экране она может записывать видео с экрана, захватывать картинки из приложений, использующих DirectX, DirectDraw и Direct 3D. К скриншотам можно делать описания, подчеркивать что-либо и др.

Sony Vegas - эта программа использовалась для обработки видео уроков, а именно добавление титров. Данная профессиональная программа для записи и монтажа видео и аудио потоков имеет собственный генератор титров.

 

WordPad – программа необходима для создания лекций. Это стандартный текстовый редактор. В котором, любой преподаватель может набрать свою лекцию и использовать её в разработанной мною АОС. Выбран именно WordPad, так как очень распространен, и прост.

Access 2007 – использовался в подготовке курсового проекта для создания базы данных. В базе данных хранятся тесты.

Microsoft Visual Studio 2010 — линейка продуктов компании Майкрософт, включающих интегрированную среду разработки программного обеспечения и ряд других инструментальных средств. Данные продукты позволяют разрабатывать как консольные приложения, так и приложения с графическим интерфейсом.

Visual Studio включает в себя редактор исходного кода, встроенный отладчик может работать как отладчик уровня исходного кода, так и как отладчик машинного уровня.

Остальные встраиваемые инструменты включают в себя редактор форм для упрощения создания графического интерфейса приложения, веб-редактор, дизайнер классов и дизайнер схемы базы данных.

Использовался язык программирования C# — язык программирования, сочетающий объектно-ориентированные и контекстно-ориентированные концепции.

Структура АОС

Структура АОС для слабослышащих представлена на рисунке 10.

Рис 3. Структура АОС для слабослышащих

В программу входят два блока, информационный, предназначен для предоставления информации обучающему. И блок контроля знаний, предназначенный для проверки уровня успеваемости обучаемого и контроля обучения.

Эти два блока связанны. Рассмотрим данную связь подробнее. Обучаемый после прочтения лекции проходит тестирование. Блок контроля знаний находит ошибки в тесте, и вследствие этих ошибок делает вывод, о необходимости прохождения лекции заново или начале изучения новой лекции. Тест может повторяться. Каждый раз тест формируется из случайных вопросов, варианты ответов также переставляются местами, всё это делается для лучшего контроля знания обучающегося.

Информационный блок состоит из видео уроков и лекционного материала. Видео уроки снабжены субтитрами для лучшего усвоения материала слабослышащих студентов.

Блок контроля знаний по мимо предоставления тестов, заносит результат тестов, а также время затраченное на каждый тест и количество повторов тестов по одному курсу в базу данных.

База данных служит для создания обратной связи в АОС между приложением и обучаемым. Если слишком много повторов теста по одному материалу, программа предлагает обучаемому отдохнуть. За отдых отвечает развлекательный блок. Если все тесты выполнятся правильно, программа хвалит обучающего, за это также отвечает развлекательный блок.

Развлекательный блок выполняет две функции. Первая – мотивирует обучаемого. Вторая – даёт отдохнуть учащемуся, в случае если он устал, про усталость свидетельствуют слишком частые однообразные ошибки.

Рис 4. Структурная диаграмма деятельности АОС.

 

2.3. Технические особенности АОС для слабослышащих

При проектировании АОС первым делом нужно было выяснить требования к её функциям, требования к адаптации обучаемого именно к этой АОС, какие модули могут быть включены для упрощения обучения слабослышащих студентов. Для этого был проведен анализ эффективности внедрения компьютерных технологий в профессиональное образование с учетом психологических особенностей человека. Выявлены факторы, определяющие готовность студентов к обучению с помощью компьютерных технологий. Проанализированы методы построения последовательности обучения, а также уровни, методы и модели адаптации. Цель адаптации – обеспечить студентам наиболее подходящую индивидуально планируемую последовательность для изучения единиц знаний и выполняемых задач. В компьютерных системах обучения учебный материал (УМ) или объект изучения представляется в виде трех- или четырехуровневой иерархии: курс (учебный предмет), тема, раздел темы, квант учебной информации (УИ), причем уровень разделов для небольших и несложных тем может быть опущен. Квант УИ – это элементарная порция информации: для изучения некоторого понятия темы (квант-понятие), вопрос, задача, комментарий к ответу, разъяснительный текст и т. п.

Решение о включении новых квантов УМ принимается на основе модели студента, которая в общем случае является вектором

М = {М1, М2, М3, …, Мn} (1)

и включает следующие компоненты: М1 – предыстория обучения; М2 – результаты текущей работы с курсом (тип выполненных заданий, время выполнения заданий, число обращений за помощью и т. д.); М3 – личностные психологические характеристики (тип и направленность личности, репрезентативная система, способность к обучению, уровень беспокойства-тревоги, особенности памяти); М4 – опыт работы с компьютерной системой; М5 – общий уровень подготовленности; М6 – стратегия обучения.

В результате проведенного анализа моделей обучаемого и моделей учебного процесса в качестве основы модели предметной области взяты классический вариант графовой модели и оверлейная модель обучаемого.

Рис 5. Иерархическая декомпозиция учебного материала

Основной структурной единицей выбран концепт, несущий минимальную единицу информации. Кроме стандартных параметров, для каждого концепта дополнительно введен уровень абстрактности. На практике множество уровней абстрактности UA={∪A,∪A,...,∪An}, где n∈N, определяется на основании мнения экспертов или автоматически, исходя из иерархии предметной области.

Получение качественных характеристик при оценивании – это актуальная задача разработчиков систем контроля. Предложено для каждого контрольного элемента использовать оценку, разложенную на несколько критериев. Обозначим множество критериев K={K1,K2,...,Km}, где m∈N. Тогда UZ =K*UA={(Ki,UAj|Ki∈K,Aj∈UA)}, i,j∈N, задает множество уровней изучения учебного материала, что позволяет оценить качество его изучения.

Поскольку АОС функционируют в условиях неопределенности, то предусмотрено внесение в систему управления элементов адаптации и искусственного интеллекта (ИИ), которые обеспечивают автоматическое приспособление к непредсказуемым изменениям процесса обучения и условий эксплуатации самой системы.

Для слабослышащих студентов в видео уроки добавлены субтитры. Выбран крупный, легко читаемый шрифт субтитров и лекционного материала для снижения нагрузки на глаза.

Автоматизированная обучающая система выполнена в виде приложения.exe, для запуска практически на любом компьютере. Перед началом работы АОС, преподаватель должен подготовить лекции в формате.rtf и тесты в формате.accdb.

Минимальные требования создаваемой АОС:

1. Windows XP, Vista, Windows 7.

2. Видеопроигрыватель с возможностью запускать видео файлы в формате wmv.

3. 400Mb на жестком диске.

Язык АОС – русский.

Формат АОС – приложение, автоматический обучающий курс с контролем знаний.

Основной блок АОС, который потребляет ресурсы это видео уроки. Воспроизведение видео — очень ресурсоёмкая задача. Основное требование к компьютеру: мощность центрального процессора. К другим подсистемам компьютера требования лишь самые базовые. Желательно иметь памяти столько, чтобы Windows не использовала файл подкачки во время воспроизведения видео, даже если оно воспроизводится с отдельного жёсткого диска; от CD привода и жёсткого диска требуется, чтобы они работали в режиме DMA (то есть не забирали на себя ресурсы процессора).

Алгоритм работы системы

Проведение начального тестирования поможет показать недостаток необходимых знаний для изучения основного предмета. А также сформировать начальную модель обучаемого студента, уточняемую и дополняемую при каждом последующем тестировании.

Для характеристики человеческих методов переработки информации нет адекватного универсального формального аппарата. Нестрогий эмпирический характер исследований в основном определяет пути развития систем искусственного интеллекта (ИИ). Формализация приносит пользу лишь тогда, когда используемый аппарат адекватен исследуемой области. Именно поэтому в процессе изучения материала обучающая система адаптируется под модель знания студента и рекомендует ему дальнейший путь изучения предмета.

Адаптация ИКОС происходит в соответствии с набором правил базы знаний, реализуемых стратегией управления обучением. Согласно стратегии организация адаптивного управления обучением происходит за счет введения функции контроля успеваемости обучаемого. Контроль знаний обучаемого студента является важной частью работы. Он обеспечивает определение уровня знаний обучаемого с целью адаптивного управления обучением, а также своевременную обратную связь с обучаемым студентом.

Степень сложности выдаваемой информации зависит от уровня, достигнутого обучающегося студента. Уровень знаний повышается постоянно по мере абстрагирования их смысла.

Рис 6. Алгоритм работы системы

Блок контроля знаний

Структура этого блока представлена на рисунке 13.

Рис 7. Блок контроля знаний.

Контроль знаний обучаемого является важной частью работы с пользователем. Он обеспечивает обратную связь с обучаемым и предназначен в первую очередь для определения уровня знаний обучаемого с целью организации адаптивного управления обучением.

В обучающих системах обычно используются два основных подхода к организации контроля знаний:

1. Оценка действий обучаемого. Этот метод применяется в экспертно- обучающих системах, т.е. обучающих системах, основанных на знаниях. Знания о предметной области и правила оценки действий обучаемого позволяют системе в ходе диалога с обучаемым определять уровень его знаний без задания контрольных вопросов. С помощью этого метода можно на высоком уровне моделировать взаимодействие преподавателя с обучаемым, но, обсуждение подобных систем выходит за рамки данной работы.

2. Стандартизованный контроль знаний. Сущность их состоит в том, обучаемому предлагается выборка специальных заданий и по ответам на нее выносится суждение о его знаниях. Стандартизованные методы контроля знаний имеют следующие положительные свойства, определяющие целесообразность их применения:

• кратковременность проверки;

• стандартность проведения проверки и анализа результатов;

• возможность представления результатов проверки в числовой форме;

• возможность математической обработки результатов.

Для измерения способностей стандартизованными методами необходимо проводить периодические, а не одноразовые проверки.

Стандартизованный контроль знаний в АОС выполняется с помощью тестов. В общем случае, когда проверку результатов теста осуществляет человек, тест - это набор вопросов и правильных ответов к ним (эталонов). Если же определение правильности ответа возлагается на ЭВМ, необходимо включить в тест набор параметров, управляющих алгоритмами проверки выполнения теста.

Педагогические тесты принято делить на нормативно-ориентированные и критериально-ориентированные. В первом случае результатом теста является количественная оценка знаний тестируемых, а во втором - качественная (типа "сдал" - "не сдал"). Для описания нормативно-ориентированного тестирования широкое распространение получили логистические модели и исследующий их IRT-анализ (Item Response Theory). Эта теория хорошо изучена в части, относящейся к дихотомическим тестам, для которых разработаны одно-, двух- и трехпараметрические модели для анализа результатов тестирования (модели Раша-Бирнбаума).

К сожалению, для дихотомических тестов вводится сильное ограничение - двухбалльная система оценки ответа: ответ считается либо абсолютно правильным, либо совсем неправильным. Это ограничение не соответствует реальному положению, когда правильность ответа определяет преподаватель, который подходит к оценке ответа дифференцированно. Поэтому целесообразно включить в систему контроля знаний возможность анализа ответа тестируемого с определением степени правильности ответа, т.е. степени его соответствия эталону.

Для того чтобы в процессе контроля знаний можно было моделировать разные формы проведения опроса, задание должно сопровождаться соответствующим набором параметров. Несмотря на декларацию необходимости "широкой параметризации алгоритмов управления обучением", практически все существующие системы ограничивают набор параметров, вводя только те из них, которые, вероятно, представляются им наиболее значимыми. Например, в той же системе ИОС БИСКВИТ вопрос может оцениваться одним параметром - "сложность", - имеющим пять степеней градации.

 

 

РАЗРАБОТКА АОС ДЛЯ СЛАБОСЛЫШАЩИХ СТУДЕНТОВ

Интерфейс АОС

Приложение АОС имеет интуитивно-понятный интерфейс. Вы можете загружать лекцию, включать режим прохождения теста. В приложении есть возможность узнать результат прохождения предыдущего теста.

Также в приложение добавлены презентации по курсу обучения, которые должны облегчить процесс изучения, сделать его более наглядным.

Если возникнут проблемы, поможет вызов справки. Шрифт и цвет текста, а также основной фон программы не должны нагружать зрение.

Рис 8. Главное окно приложения.