ГРАФОВАЯ СТРУКТУРА СВЯЗАННЫХ МОДУЛЕЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ МОДЕЛИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО ИНТЕРФЕЙСА ОБУЧАЮЩЕЙ СРЕДЫ

На основе требований, предъявляемых к методам проектирования пользовательского интерфейса обучающей среды, предложена модель обучающей среды, представленная в виде системы связанных модулей, образующих графовую структуру. Для проектирования средств адапта — ции пользовательского интерфейса предложено использовать когнитив — ные карты состояний.

Ключевые слова: граф, когнитивная карта состояний, модель, модель — но ориентированный подход, обучающая среда, пользовательский интер- фейс.

В последнее время широкое распространение получи — ли информационные системы в обучении, реализующие новые образовательные технологии и создающие новую электронную обучающую среду. Эффективность обучающей среды в целом во многом обусловливается рядом факторов, одним из которых яв — ляется эффективность и качество используемых средств обеспе — чения взаимодействия преподавателя и обучаемого. В электрон — ной обучающей среде это пользовательский интерфейс (ПИ), который наряду с обучающим контентом – залог оптимальной обучающей среды.

Информация представляется пользователю через элементы ПИ (метафоры, выразительные средства) и механизмы органи — зации взаимодействия с пользователем. Разнообразие современ — ных технологических платформ создания ПИ, реализующих свои

варианты механизмов организации взаимодействия и метафор, приводит к проблемам переносимости интерфейсов между раз — личными платформами. Переход на новую платформу ведет к полной повторной разработке. Для обучающих сред также важна постоянная работа над обучающим контентом, повышение нагляд — ности материала и интерактивости. Это приводит к необходи — мости использования средств автоматизации проектирования ПИ, применяющих специализированные предметно ориентирован — ные модели.

Современные системы автоматизации разработки ПИ ориен — тированы на конкретные платформы и технологии. Использова — ние таких подходов разработки ПИ ведет к снижению трудоемко — сти процесса кодирования. Модельно ориентированные средства разработки ПИ кроме снижения трудозатрат на кодирование поз — воляют формировать проектные спецификации ПИ в виде нагляд — ных моделей и документировать процесс его разработки. Такие подходы используют собственные графические языки описания ПИ или расширяют графические нотации проектирования при- ложений (например, UML). Одним из недостатков таких подходов является отсутствие средств выявления ошибок на этапе проек — тирования. Существуют виды ошибок, которые можно выявить и предотвратить на ранних этапах проектирования. К таким ошиб — кам можно отнести тупиковые сценарии человеко-компьютерного взаимодействия, недоступность компонентов пользовательского интерфейса. Предотвращение такого рода ошибок возможно с ис — пользованием средств методологий проектирования.

Разработка универсального модельно ориентированного под — хода проектирования и разработки ПИ относится к достаточно сложному и трудоемкому классу задач. В то же время рассмотре — ние определенного класса программных систем позволит сузить круг решаемых проблем. К системам, для которых автоматизация проектирования и разработки ПИ важна и оправданна, можно от — нести обучающие среды.

Для систем поддержки обучения характерен следующий спи — сок требований, предъявляемых к методам проектирования поль- зовательского интерфейса:

– наличие технологии оформления страниц экрана с примене — нием графики, цвета, и пр.;

– возможность создания многоуровневой навигации в обучаю — щей программе, т. е. возможен не только линейный (последова — тельный, шаг за шагом) порядок выполнения программы;

224

Графовая структура связанных модулей при проектировании…

– наличие способов проектирования системы подсказок, ссы — лок на дополнительные материалы, выходы на иные информаци — онные материалы;

– наличие средств разработки мотивирующих и информирую — щих сообщений;

– наличие способов создания средств взаимодействия пользо- вателя с обучающей программой;

– наличие методов проектирования средств адаптации систе — мы обучения к обучающемуся.

Рассмотрим способ проектирования ПИ обучающей среды, позволяющий организовать многоуровневую навигацию.

Модель обучающей среды можно представить в виде системы связанных модулей, образующих графовую структуру. Модулем может быть любой компонент системы. Изменение состояния i-го модуля c вероятностью Pij приведет к изменению состояния j-го модуля. Поэтому возникает необходимость отслеживать измене — ния в модулях, вызывающих изменения структуры обучающего материала, а вслед за ним и элементов пользовательского интер — фейса, ответственных за его представление. Иерархичная структу — ра обучающего материала может быть представлена в виде набора деревьев, имеющих перекрестные ссылки, что позволит создавать многоуровневую навигацию в обучающей программе, отражаю — щую взаимосвязи различных учебных целей, задач и т. д.

Редактирование структуры учебного материала может приво- дить к:

– изменению элементов пользовательского интерфейса;

– изменению навигации в обучающей программе;

– отражению или сокрытию подсказок, ссылок на дополни — тельные материалы;

– генерации мотивирующих и информирующих сообщений. Графовое представление обучающей среды позволяет опреде-

лить число изменений, необходимых для внесения в систему, а также последовательность действий, приводящих к требуемому результату.

Для построения математической модели обучающей среды можно использовать иерархическую систему взаимосвязи моду — лей. Разработка модели обучающей среды может проводиться на нескольких уровнях абстракции, постепенно детализируя элемен — ты модели до тех пор, пока не будет достигнут уровень, приемле — мый для разработки элементов учебного материала e1, …, en (n – ко- личество элементов) на физическом уровне (рис. 1).

Графовая структура взаимосвязанных модулей ПИ позволит также проектировать средства адаптации ПИ системы обучения к обучающемуся. Для этого на графе ПИ можно построить когни — тивную карту ситуаций. Когнитивная карта ситуаций для модели обучающей среды позволит представить известные субъекту (препо — давателю, создателю обучающего материала) основные закономер — ности наблюдаемой ситуации и предпочтительные траектории обу — чения в виде ориентированного знакового графа, в котором вершины графа – факторы (элементы учебного материала и показатели каче — ства его прохождения обучающимся), а дуги между факторами – причинно-следственные связи между факторами. В когнитивной модели выделяют два типа причинно-следственных связей: положи — тельные и отрицательные. При положительной связи увеличение значения фактора-причины приводит к увеличению значения фак — тора-следствия, а при отрицательной связи увеличение значения фактора-причины приводит к уменьшению значения фактора-след — ствия1. В модели обучающей среды с помощью причинно-следствен — ных связей можно проектировать траектории обучения (рис. 2).

Предпочтительная траектория обучения описывает маршрут прохождения элементов учебного материала, приводящий к доста — точному уровню освоения курса при высоких показателях качест — ва выполнения контрольных заданий. Траектория обучения с уве — личенным количеством дополнительных материалов описывает маршрут прохождения элементов учебного материала, расширен — ный подсказками, мотивирующими сообщениями, упражнениями для обеспечения достаточного уровня освоения курса при низких показателях качества выполнения контрольных заданий. В терми — нах когнитивной карты ситуаций предпочтительная траектория формируется за счет положительной причинно-следственной свя — зи, траектория обучения с увеличенным количеством дополни — тельных материалов – за счет отрицательной. Таким образом, в за — висимости от способностей ученика обучающая среда создает наи — более комфортный темп обучения. Это позволит обеспечивать адаптивность ПИ обучающей среды к обучающемуся, например, при высоком показателе качества выполнения контрольных зада — ний будут формироваться средства навигации на элементы учеб — ного материала предпочтительной траектории обучения.

Для проектирования графовой структуры модулей ПИ обучаю — щей среды необходимо определить систему элементов учебного материала E = {ei}, E = (I, Q), где I = {ii} – учебный контент, Q = {qi} – показатели качества прохождения обучения.

Факторами когнитивной карты ситуаций примем значения qi. Для каждого qi необходимо определить показатели качества вы — полнения контрольных заданий в виде упорядоченного множест — ва. Использование порядковых шкал значений в качестве измери — тельной системы позволит интегрировать в единую модель пока — затели качества, имеющие числовое и символьное представления.

Когнитивная карта ситуаций представляется в виде ориен — тированного знакового графа и задается матрицей смежности W = {wij}, wij ∈{–1,0,1}.

Определяя силу взаимовлияния факторов, связанных причин-

ными связями, знаковый орграф трансформируется во взвешен — ный орграф. Описание процессов перехода от одного фактора к другому осуществляется через систему уравнений «если… то…». В матричном виде такая система уравнений записывается в сле — дующем виде2:

Z(t + 1)=W°Z(t)

где Z(t) = (zi(t)) – начальный вектор приращений значений факто — ров в момент времени t; Z(t + 1) = (zi(t + 1)) – вектор приращений значений факторов в момент времени t + 1, zi(t) ∈[–1,1]; W = |wij| – матрица смежности, wij ∈[–1,1] – характеризует силу причинной связи.

Приращения значений факторов в последовательные дискрет — ные моменты времени Z(t + 1), … , Z(t + n) вычисляются с приме — нением следующего правила композиции3:

Таким образом, моделирование ПИ обучающей среды в виде графовой структуры взаимосвязанных модулей позволит проекти — ровать многоуровневую навигацию, отслеживать случаи измене — ния структуры учебных материалов, приводящие к необходимости изменять ПИ, а также поддерживать систему адаптации среды к обучающемуся. Использование декларативного языка специфи — кации пользовательского интерфейса и средств автоматической генерации приведет к снижению стоимости и времени разработки обучающих сред. Модельно ориентированный подход к разра — ботке интерфейса, предоставляющий автоматическую генерацию интерфейса по декларативным, высокоуровневым моделям интер — фейса, позволит ослабить технологическую привязку разрабаты — ваемого интерфейса к конкретной платформе.

Материал взят из: Научный журнал Серия «Информатика. Защита информации. Математика» № 14 (94)