Министерство образования и науки Российской Федерации 
Институт проблем информатики ФИЦ ИУ РАН
Федеральный институт развития образования
Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования
Московский институт открытого образования     
Автономная некоммерческая организация
«Информационные технологии в образовании»
 Международная научно-практическая конференция
«Информатизация образования: тенденции, перспективы, инновации»
«ИТО-КФО-2015»
27 апреля - 3 мая 2015 года, Крым, Большая Алушта, пос.Малореченское

Концепция парадигмы в задаче представления и организации знаний

Авторы: Кубеков Булат Сальмуханович 1, Кандидат технических наук, Доцент, Почетный работник образования Республики Казахстан, Зыкин Сергей Леонидович 2, Утегенова Анара Урантаевна 2
1 университет "Туран", Республика Казахстан, г.Алматы, 2 Университет "Туран"
Рассматривается возможность представления и организации учебного контента дисциплин моделями онтологий и характеристическими моделями, с использованием известных парадигм объектного моделирования и порождающего программирования. Инновационность предлагаемого подхода заключается в применении методики моделирования и визуализации понятий и характеристик для повышения эффективности обучения, запоминания и воспроизведения учебного контента, а также для разработки повторно используемых образовательных компонент. Модель представления и организации знаний может быть использована как основа для разработки образовательной среды для обучения, контроля знаний, проектирования учебных программ и при разработке индивидуальных образовательных траекторий обучающегося.
От концептуализации к навыкам и умениям

Термин образовательные технологии обозначает формы передачи и генерирования знаний на основе технической базы. При ознакомлении и анализе методик и технологий, применяемых в образовании, возникают различные ассоциации используемых понятий и моделей с понятиями в информационных технологиях и в, частности, с понятиями, связанными с парадигмами  объектно-ориентированного моделирования и порождающего программирования [2,3,4].  

 Необходимость  использования концепций, механизмов и инструментальных средств информационных технологий в образовательной практике и технологиях уже не вызывает споров. Например, визуальная понятийная модель - это метафора, позволяющая  соединить в себе такие сущности объектной модели, как класс, наследование, ассоциативность, композиция и агрегация, с  понятиями  дисциплин обучения вместе с их отношениями,  совместно определяющими структуру учебного контента и механизмы  взаимодействия  понятий.  

Для решения задачи представления и организации знаний образовательные технологии должны базироваться  на современных достижениях информационных технологий, привлечении инженерии знаний и, в частности, онтологического инжиниринга, на использовании идеи общности и изменчивости, чтобы формализовать  концепцию парадигмы. Парадигма - термин, широко используемый в современном проектировании систем, - это способ  построения системных абстракций на основе свойств общности и изменчивости [3].  В объектной парадигме системы создаются на основе общности структуры и поведения объектов и отклонений структуры и алгоритмов. В образовательной  парадигме, представления знаний должны базироваться на основе общности и изменчивости понятий учебного контента  дисциплин специальности.

К наиболее часто используемым формам отображения знаний традиционно относятся продукционная, сетевая, фреймовая и алгебраическая модели, графы, множества. В этом ряду, на наш взгляд, приемлемой формой отображения педагогических моделей и образовательных ресурсов, подходит объектная парадигма, которая располагает большим набором возможностей для моделирования, конструирования и визуализации понятий учебных дисциплин, а также средством моделирования  свойств и механизмов их взаимодействия. 

В статье рассматривается возможность представления учебной информации с помощью понятий, моделей онтологий и характеристических моделей. Онтологии определяют  концептуализацию, которая лежит в основе формализма представления знаний. В инженерии знаний под онтологией понимается  детальное описание некоторой предметной области, которая используется для формального и декларативного определения её концептуализации. Онтологии позволяют представить понятия в таком виде, что они становятся пригодными для компьютерной обработки [1].  На формальном уровне онтология - это система, состоящая из наборов понятий и утверждений об этих понятиях, сформулированных с помощью характеристических моделей и с помощью выражений спецификаций знаний. Моделирование характеристик является основной методикой выявления и фиксации общности и изменчивости на понятиях в онтологиях и на свойствах  характеристик, что дает возможность разработки повторно используемых образовательных компонент. Дальнейшее их использование связано с возможностью порождения новых образовательных программ, дисциплин и курсов и их адаптации, в соответствии с требованиями  рынка труда.  Поэтому, образовательные системы должны быть гибкими и адаптивными за счет анализа и реализации абстракций общности и изменчивости учебного материала дисциплин, что накладывает определенную обязанность по подбору таких абстракций, которые со временем будут оставаться неизменными и адаптируемыми к новым условиям и требованиям. В этой связи надо отметить, что такая стабильность наиболее характерна для абстракций общеобразовательных дисциплин учебного плана специальности, частично - для базовых дисциплин, и в большей степени изменчивость характерна для абстракций профилирующих дисциплин.  Поэтому при планировании учебных планов следует основываться, и прежде всего для профилирующих дисциплин, на прогнозировании того, а какие изменения ожидаются в перспективе развития специальности и, соответственно, каковы требования будут предъявляться  к профессиональным  компетенциям выпускника в будущем.

Применение моделей онтологий и характеристических моделей для обучения требует во-первых, проведениеанализа структуры и организации контента учебного материала дисциплин; во-вторых, создание визуально-мыслительных образов, с помощью ассоциативного связывания понятий и структурных элементов содержания учебного материала для  формирования целостной системы знаний в  рамках отдельной дисциплины, курса и специальности; и в-третьих, включение механизмов взаимодействия визуально-мыслительных образов учебного материала, способствующих приобретению обучающимися профессиональных практических навыков и умений.

Процесс построения онтологии начинается с определения абстракций - понятий  предметной области с последующей их конкретизацией. Каждое понятие представимо своими экземплярами, то есть наборами характеристик, образующими характеристическую модель понятия. Следует отметить, что моделирование характеристик - самая значимая заслуга инженерии знаний, так как разработка образовательных компонент для повторного использования является очевидной необходимостью при построении систем обучения, что требует, прежде всего, моделирования характеристик понятий. Образовательные средства и учебные ресурсы многократного применения должны отличаться от конкретных традиционных учебных ресурсов значительно более существенной изменчивостью, а основной методикой выявления и фиксации изменчивости является именно моделирование характеристик.  Характеристики совершенно незаменимы при формулировании кратких описаний понятий, между экземплярами  которых существуют значительные различия, а также в дифференциации экземпляров понятия. И еще один момент, связанный с характеристиками, заключается в возможности применения дополнительных формализмов при моделировании и компьютерной обработке  семантического содержания понятий.

Построение онтологий понятий учебного материала можно представить как этапы выделения основных  понятий, составляющих словарь предметной области; построения таксономии понятий; определения взаимосвязей между понятиями в виде ориентированного графа, показывающего связи между понятиями с помощью отношений  композиция, агрегация, альтернативный выбор и  определения для каждого понятия характеристической модели.

В качестве примера рассмотрим область знаний программной инженерии SWEBOK - «Требования к программному обеспечению», включающую следующие ключевых опорные понятия: С1-выявление требований, С2 -анализ требований, С3 - спецификация требований,  С4- валидация требований и С5 -  управление требованиями[5].

Выделенные понятия образуют модель онтологии области знаний программной инженерии - "Требования к программному обеспечению". В этой модели понятие С1- "Выявление требований", как экземпляр опорного понятия  С- "Требования к программному обеспечению", может быть представлено  моделью Fm со следующими характеристиками: f11- высокоуровневое описание задачи; f12- низкоуровневое описание требований; f13- экспертная оценка и  бизнес-правила; f14- системные сервисы. При этом, конкретизирующая характеристика  f12имеет свой  уровень дочерних конкретизирующих характеристик: f1- функциональные требования; f2- нефункциональные требования; f3-обратные требования, а конкретизирующая характеристика  f14  также имеет свой уровень конкретизирующих характеристик: f1-  формулировка ограничений на поведение программной системы; f2- формулировка услуг на основе бизнес-правил.  

Модель спецификации конкретизирующего понятия C1- Выявление требований,  можно представить следующим выражением: 

                              C1 <= *f11*f12(*f1*f2+f3)+ f13*f14(+f1~+f2); 

По мере развития базы знаний содержания учебных дисциплин следует разработать общий подход по онтологическому анализу учебного контента и автоматизации процессов представления, организации, визуализации, обучения и контроля знаний, на базе повторно используемых  образовательных компонентов, и, как следствие, созданию учебных курсов и  программ обучения в рамках реализации академической мобильности и возможности гибкого планирования учебного процесса.  

Список использованных источников
  1. Нариньяни А. С. Кентавр по имени ТЕОН: Тезаурус + Онтология // Труды Международной конференции ДИАЛОГ-2001. М., 2001. С.184-188.
  2. Г.Буч. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-изд. Пер. с англ. - М.:"Издательство БИНОМ", СПб.: Невский диалект, 1998г.-560с.
  3. Коплиен Дж. Мультипарадигменное проектирование для С++.: Питер, 2005.-235с.
  4. Чарнецки К., Айзенекер У. Порождающее программирование: методы, инструменты, применение. Для профессионалов. -СПб.: Питер, 2005- 731с.
  5. Вигерс Карл. Разработка требований к программному обеспечению. Пер. с англ.-М.: Издательство - торговый дом "Русская Редакция", 2004.- 576с.
Вид представления доклада  Устное выступление и публикация
Уровень  Высшее профессиональное образование

В статусе «Черновик» Вы можете производить с тезисами любые действия.

В статусе «Отправлено в Оргкомитет» тезисы проходят проверку в Оргкомитете. Статус «Черновик» может быть возвращен тезисам либо если есть замечания рецензента, либо тезисы превышают требуемый объем, либо по запросу участника.

В статусе «Рекомендован к публикации» тезис публикуется на сайте. Статус «Черновик» может быть возвращен либо по запросу участника, либо при неоплате публикации, если она предусмотрена, либо если тезисы превышают требуемый объем.

Статус «Опубликован» означает, что издана бумажная версия тезиса и тезис изменить нельзя. В некоторых крайне редких ситуацих участник может договориться с Оргкомитетом о переводе тезисов в статус «Черновик».

Статус «Отклонен» означает, что по ряду причин, которые указаны в комментариях к тезису, Оргкомитет не может принять тезисы к публикации. Из отклоненных тезис в «Черновики» может вернуть только Председатель программного или председатель оргкомитета.