Среды разработки учебных ресурсов и организации обучения для детей с нарушением способности считать

Иванова Татьяна Иванова

доктор, преподаватель кафедры Электроники, Компютерных Систем и Технологии Софийского Технического Университета, Коллеж Энергетики и Электроники

Бул. България, 17, Ботевград, 0895589982

 tiv72@abv.bg

Аннотация

В процессе обучения лиц с нарушением способности считать особенно важно использование специализированных электронных ресурсов. Таких ресурсов довольно мало, их разработка трудна и дорога, нужны специфические средства и среды для эффективного развития и использования обучающих объектов. Основная цель статьи предложить модель гибкой среды разработки ресурсов для дискалъкулитиков. В работе выполнена классификация интегрированных сред разработки и обосновано утверждение о небходимости интеграции средств разработки электронных ресурсов для дискалъкулитиков и соответствующих систем э-обучения. На основе анализа специфических характеристик дискалькулии и требований к обучению дискалькулитиков сделаны выводы о важнейших средствах, необходимых для разработки ресурсов, и сформулированы требования к их интеграции. Предложенная модель объединяет сложные инструменты для разработки высококачественных учебных ресурсов на основе интеллектуальных и многоагентных технологий, чтобы обеспечить гибкую среду для обучения дискалькулитиков и современную среду для совместного и кооперативного проектирования и разработки ресурсов для детей с нарушением способности считать.

Usage of specialized electronic resources is of great importance in the process of teaching children with Dyscalculia. Such resources are insufficient, their development is difficult and expensive, and specific tools and environment for the effective development and use of learning objects are needed. The main aim of this paper is to present a model of a flexible development environment for resources intended to e-learning for children with Dyscalculia. The classification of integrated development environments on the base of comprehensive analysis is presented and need of integration the tools for development of electronic resources for dyscalculitics and corresponding e-learning systems is motivated.  Based on analysis of the specific characteristics of dyscalculia and provoked training requirements conclusions about the most important tools needed for the development of resources and requirements for their integration are made. The proposed model integrates sophisticated tools for the development of high-quality educational resources based on intelligent and multi-agent technology to provide a flexible environment for e-learning and modern environment for collaborative and cooperative design and development of resources for the discalculitic learners.

Ключевые слова

Электронное обучение, дислексия, нарушение процесса обучения, нарушение навыков счета, дискалькулия, онтология, среды разработки учебных ресурсов

E-Learning, dyslexia, dyscalculia, ontology, e-Learning IDE

Введение

Нарушение процесса обучения (Learning Disability, LD) — это специфическое и стойкое отставание в одной или нескольких областях/сферах знаний при наличии нормального и даже высокоразвитого интеллекта и регулярного участия в процессе обучения. LD встречается у 10-20% детей. Когда такие нарушения процесса обучения относятся к математике, это иногда по-русски называют нарушением навыков счета. По нашему мнению, этот термин слишком длинен и недостаточно точен, т.к. нарушения в изучении математики могут быть связаны не только со счетом, но и, например, с теоремами геометрии или высшей математики. Поэтому далее в статье вместо термина “нарушение навыков счета” будет использовано фонетическое соответствие английского термина dyscalculia –дискалькулия. Людей, имеющих такие нарушения, будем называть “дискалькулитики”.

 Дискалькулия одна из частых причин отставания в изучении математики. Около 6%-10% школьников имеют выраженные симптомы дискалькулии. Эти дети нуждаются в специализированных подходах, методологии и учебных материалах для достижения нормальных результатов в учебе, но такие часто отсутствуют. Множество разработанных в последниe годы систем электронного обучения тоже не могут быть полезны по ряду причин: они часто очень сложны для использования и в то же время недостаточно гибки, чтобы удовлетворить конкретные потребности каждого обучаемого с дискалькулией.

Одной из основных тенденций развития прикладного программного обеспечения (ПО) является непрестанное увеличение гибкости и возможностей квалифицированных потребителей разрабатывать высококачественные продукты в своей прикладной области, пользуясь возможностями прикладного программирования. Так например, простые текстовые документы, пользуясь макросами, можно легко (автоматически) представить в виде веб-страницы, а затем редактировать полученый HTML код, если необходимы некоторые специфические функции разрабатываемых веб-страниц. Эти тенденции характерны также для среды электронного обучения и разработки обучающих ресурсов. Поэтому сначала проведем краткий анализ сред электронного обучения с точки зрения возможности программирования для экспертов, имеющих некоторые навыки непрофессиональной разработки ПО. Это необходимо потому, что достичь максимальной гибкости любой прикладной программы можно только, пользуясь встроенным языком программирования, а гибкость, адаптивность и персонализация имеют решающее значение при разработке обучающих материалов и инструментов для детей с дискалькулией.

Таким образом, учитывая факт, что каждая гибкая среда электронного обучения или разработки учебных ресурсов должна быть в известной степени  и средой программирования, сначала покажем место такой среды в ряду других типов сред разработки компьютерных ресурсов. Затем проанализируем сущность дискалькулии и специфику компьютерных ресурсов, необходимых для обучения дискалькулитиков. Потом сформулируем основные требования к средам электронного обучения и разработки ресурсов для дискалькулитиков, проведем краткий обзор наиболее близких к этим требованиям существующих продуктов, отметив их преимущества и недостатки. Конечная цель работы - предложить и обосновать модель гибкой системы разработки ресурсов и организации электронного обучения для дискалькулитиков.  

2. Особенности дискалькулии и специфика учебных ресурсов для дискалькулитиков

Дискалькулией (Dyscalculia) является специфичное интеллектуальное состояние, которое характеризируется   врожденными трудностями в изучении или понимании математики, т.е. это расстройство в изучении  математики у детей или взрослых с нормальным интеллектом. Оно очень часто встречается в сочетании с дислексией, что связано с трудностями в пространственной организации (например, ученик не знает с чего начать выполнение действия). Эта трудность преодолима, она быстро исчезает при использовании специальных методов обучения или иногда при помощи психотерапии. Случаев дискалькулии много. По мнению Д. Фоглер (1988) после окончания начальной школы 25% детей не владеют делением (55%, в отношении десятичных дробей).

Обычно дискалькулия обнаруживается на начальной стадии обучения детей счету. На этом этапе в её основе лежат трудности, испытываемые детьми при усвоении навыков счета. Позднее при дискалькулии может развиться стойкое нарушение всей математической деятельности, которое проявляется в затруднениях при овладении математическим словарем, восприятии текста задачи, записи математических выражений и т.д. Основными причинами являются несформированность высших психических функций (внимания, памяти, абстрактно-логического мышления), которые участвуют в процессе овладения навыками счета, развитии пространственной ориентациии, зрительно-воспринимающих способностей и эмоционально-волевых реакций.

Проявления дискалькулии у различных обучаемых варьируются в широких пределах. Их можно классифицировать следующим образом:

-         чтение;

-         понимание текста;

-         понимание математических отношений;

-         понимание математических абстракций;

-         запоминание математических знаний;

-         автоматизация основных математических действии;

-         умение рассуждать.

Трудности, связанные с чтением, могут быть двух типов: относящиеся к общим навыкам чтения и к чтению математических символов. Если у учащихся имеются проблемы, относящиеся к дислексии, то возникают трудности при самостоятельном чтении математического текста, в понимании решаемой задачи и т.д. Если речь идет о математике, то к обычному тексту добавляются и математические символы (числа, реляции и т.д.). При этом трудность распознавания числовых знаков делает процесс чтения и понимания еще труднее.

Трудности понимания математического текста относятся не только к знанию определений понятий, но и к умению понимать смысл задачи и выполнять несколько логических операций, удерживая в памяти определенные действия. Понимание связи между записью чисел с помощью цифр и их смысловым значением также является трудным для детей с дискалькулией. Умение раскрытия математического содержания схем и картинок, подводящих к правильному решению, также очень важно.

Понимание математических абстракций очень важно в течение всего изучения математики. Формирование понятия числа и его состава, понимания разрядного строения и связи чисел между собой, левого и правого компонентов числа, значения нуля; осмысление числа как абстрактного понятия сравнительных величин, соотнесения чисел в арифметическом действии особенно важны в начальный школе и очень трудны для детей с дискалькулией.

Запоминание математических знаний очень важно, т.к. в математике новые знания обычно являются  логическим следствием ранее изученного. Знание определений, правил и теорем влияет на способность человека понимать новые знания, помнить или манипулировать числовыми фактами (например, если не помнишь таблицы умножения, не умеешь умножать). Дискалькулитики трудно запоминают таблицу умножения, редко соблюдают порядок действий, поздно обучаются пользоваться часами, трудно запоминают последовательность событий и плохо организуют свою как учебную, так и ежедневную деятельность.

Автоматизация действий также влияет на способность человека понимать, помнить или манипулировать числовыми фактами (например, таблицы умножения), особенно в моменты, когда надо быстро манипулировать со знаниями. Дети с дискалькулией с трудом автоматизируют выполнение арифметических операций, выполнение элементарных вычислительных действий, перечисление и выстраивание автоматизированных цифровых порядковых рядов. У них очень медленно развиваются счетные навыки.

Умение рассуждать – одно из основных математических умений и путь к достижению новых знаний. Дети с дискалькулией с трудом выполняют усложненные логико-абстрактные действия, входящие в алгебру, геометрию, тригонометрию и пр. Им трудно дается абстрактно-логическое мышление, и они редко понимают символические представления.

Концентрация нужна всегда, особенно при сложных вычислениях и последовательных логико-абстрактных действиях, но дислектикам это редко удается. Вот почему активизация высших психических функций (в том числе концентрации, зрительной и слуховой памяти, переключаемости внимания) особенно важна в процессе обучения. Один из важных путей повышения концентрации – формирование процессов самоконтроля.

Часто трудности являются следствием комбинации недостатков на нескольких этапах обработки знаний: например, дети с трудом ссылаются на числовые факты, т.к. не выучили их хорошо или не автоматизировали типовые подходы рассуждения. В результате им часто не хватает уверенности, даже если они дают правильный ответ. Они не могут использовать правила и процедуры получения новых знаний (рассуждения), опираясь на известные факты, и по этой причине очень слабо разбираются в новых знаниях или решают задачи. Например, они могут знать, что 5 + 2 = 7, но не понимают, что, следовательно, 2 + 5 = 7 или 5 +1 = 6.

Как видно из приведенного краткого анализа, проблемы обучения дискалькулитиков математике могут быть локализованы практически в любом типе познавательной деятельности и иметь весьма разнообразные проявления. В частности, они специфичны для каждого ребенка, а в целом требуют точно направленных систематических усилий. Конкретное направление должно определяться динамически, как функция развития конкретного обучаемого.

Чтобы успешно использовать технологию электронного обучения в этой специфической области, необходимо решить три основных вопроса: какими должны быть учебные материалы по математике для дислектиков и какие инструменты позволяют легко разрабатывать такие материалы; как организовать целостный процесс обучения, используя электронные средства; как комбинировать электронные инструменты с педагогико–психологической работой для получения наилучших результатов.

В целом обучающие материалы должны стимулировать:

-         понимание текста решаемой задачи;

-         понимание смысла числа как математической абстракции;

-         формирование математических представлений в онтогенезе;

-         развитие умения счета и выполнения счетных операции;

-         развитие умения представлять или манипулировать реальными фактами, пользуясь математическим аппаратом;

-         научение, т.е. способность автоматизировать базовую математическую деятельность;

-         тренировку внимания и концентрации;

-         обработку зрительной информации, т.е. развитие умения визуализировать числа и математические ситуации в задачах;

-         формирование процессов самоконтроля;

-         решение проблемы определения последовательности и организации подробной информации.

Для стимулирования обучения дислектиков в обучающих материалах могут быть использованы соответственно следующие конкретные средства:

-      для понимания текста решаемой задачи важно медленное чтение условия вслух, объяснение использованных понятий, визуализация, которая помогает ученикам образно, зрительно представить себе математическую задачу, «визуализировать» ее, делать зарисовки по ее содержанию, используя дополнительные средства для раскрытия математического содержания схем и картинок, подводящих к правильному ответу;

-      для понимания смысла числа как математической абстракции необходимо частое и наглядное объяснение разрядного строения числа и понятия числа, внутреннего состава числа и связи чисел между собой, левого и правого компонентов числа, значения нуля, иллюстрации и объяснения различий близких по внешнему виду чисел, упражнения по распознаванию числовых знаков;

-      для развития умения счета и выполнения счетных операций нужно много упражнений: в перечислении и выстраивании автоматизированных цифровых, особенно порядковых рядов, счёт по двойкам и тройкам вперед и назад, применение таблицы умножения и т. д.;

-      для усвоении математических правил и абстракций необходимо частое повторение правил и иллюстрация их применения в реальных, разбираемых и важных примерах;

-      для развития умения представлять или манипулировать реальными фактами, пользуясь математическим аппаратом, надо наглядно демонстрировать и объяснятъ на примерах смысл математических фактов, предлагая сценарии их применения в практических ситуациях;

-      для автоматизации (научения) базовой математической деятельности необходимо сначала понять первоначальные (основные) математические представления и понятия, выучить их определения, а потом системно и часто применять эти знания при решении типовых задач;

-      для тренировки внимания и концентрации надо использовать звуковое сопровождение текста задачи и учебного материала, динамику, интерактивность, персональную направленность процесса обучения;

-      для решения проблемы определения последовательности и организации подробной информации необходимо научить находить и отслеживать важные элементы информационного объекта, а также постепенно и медленно научить выполнению усложненных логико-абстрактных действий, входящих в алгебру, геометрию, тригонометрию, физику и т.д.;

-      для формирования процессов самоконтроля надо постоянно показывать полезность логической проверки и часто проводить проверку ключевых моментов;

-      для мотивации нужны специфические учебные материалы, соответствующие личностным особенностям каждого обучаемого и динамическая организация учебного процесса, динамический контроль успехов и неудач обучаемых и своевременная реакция на возникшие проблемы. Задачи необходимо снабдить хорошими образцами решения и примерами из практики, где возможно требуются такие же решения. Нужны также иллюстрации значимости каждой задачи, использование интересных и разнообразных подходов к подаче учебного материала (динамика, мультимедиа, интерактивность, игры).

Учитывая, что трудности могут появиться как в процессе понимания, так и при выполнении уже понятых действий и использовании выученных правил, в процессе работы необходимо многократное повторение, много примеров, наглядное объяснение и большое количество направленных упражнений. В общем, детям с дискалькулией надо уделять гораздо больше времени учебе, чтобы достичь обычных результатов. Для сохраннения желания работать и положительных эмоций обучающие материалы должны быть интересны, а процесс обучения  - доступен, динамичен и увлекателен. Важно формировать и поддерживать готовность к усвоению математики младшими школьниками. Процесс обучения, в основном, зависит от степени и конкретных проявлений дислексии и дискалькулии. Самыми важными требованиями являются тематическая направленность процесса обучения, гибкость, динамика и высокая степень персонализации, которые современные системы электронного обучения не могут предложить. Важно, чтобы учебные ресурсы имели форму качественной и привлекательной мультимедии и в то же время были удобны для использования, акцентированы только на изучаемых объектах и не содержали ничего лишнего, что могло бы нарушить концентрацию обучаемого или вызвать затрудния.

3. Программные среды, среды электронного обучения и среды разработки обучающих ресурсов

Чтобы ориентироваться в огромном количестве инструментов и сред для разработки электронных ресурсов, необходимо классифицировать их на основе значимых критерии. Программные среды могут быть классифицированы в соответствии с аудиторией, для которой они предназначены (для профессиональных программистов и специалистов прикладных областей, близких к программированию).

Другими критериями классификации среды для разработки программного обеспечения являются языки программирования, парадигмы программирования, которые они поддерживают, их базовая архитектура, операционные системы, в среде которых они могут функционировать, операционные системы, для которых разработано ПО, типы лицензий, с которыми распространяются (рис. 1) и другие.

 Системы электронного обучения, как показано на рисунке 1, являются подобластью прикладных программных инструментов и в зависимости от назначения бывают трех видов: для разработки учебных ресурсов, для организации процесса обучения и комбинированные, предлагающие инструменты разработки и обучения. Далее, используя эту классификацию, покажем, что хорошая среда для обучения дискалькулитиков должна объединять в единой системе средства для разработки и обучения, а как прикладная среда, она должна обединять мощные инструменты разработки и обучения в рамках единого гибкого графического интерфейса.

 

 

 

 

 


4. Анализ некоторых подходов и инструментов гибкого адаптивного электронного обучения и их применения для дискалькулитиков

Чтобы определить важнейшие технологии, которые используются для достижения адаптируемости, гибкости и персонализации в современных средах разработки обучающих ресурсов и электронного обучения, проанализуем подобные технологии, использованные в распространенных современных средах электронного обучения [1] и некоторых новых исследовательских проектах в этой области, а также разработанных специально для детей с дискалькулией.

 

4.1. Современные технологии в средах электронного обучения и разработки ресурсов

 

Среды разработки в области электронного обучения ориентированы прежде всего на разработку учебных ресурсов. Высокие критерии, которые жизнь предъявляет к образованию, требуют адаптации, персонализации и динамической рекомендации ресурсов обучения. С непрерывным увеличением источников информации и разработанных учебных ресурсов становится все труднее контролировать и актуализировать их вручную, рекомендовать наиболее подходящие для конкретного учащегося и конкретных образовательных целей. Вот почему ручная разработка учебного содержания и непосредственное управление процессом обучения все чаще уступает место разработке программного обеспечения для автоматизации разработки образовательных ресурсов, сотрудничества в процессе разработки и автоматической их адаптации в конкретном контексте. Поэтому одной из основных тенденций развития сред электронного обучения является усовершнствование инструментов их программной разработки и, в конце концов, их превращение в интегрированные среды для разработки и управления обучающими ресурсами.  Так, например, почти все среды разработки учебных ресурсов поддерживают программную технологию XML, т.к. это общий стандарт для обмена данных и описания (метаанных, а для описания ресурсов обучения используются стандарты метаданных. Расширенный SCORM редактор и DeltaLearn расширенный редактор (http://www.shareup.com/Advanced_SCORM_Editor-download-47510.html) являются генераторами учебного материала и метаданных на основе SCORM-стандарта. DeltaLearn SCORM редактор является бесплатной интегрированной SCORM-средой с мощным графическим редактором для генерирования SCORM-метаданных. QuizForce (http://www.shareup.com/QuizForce-download-50256.html) – это бесплатный набор инструментов для автоматичного генерирования Flash-базиранных учебных тестов  и оценочной информации, который не требует написания программного кода. Trident (http://www.scormsoft.com/trident) и Е-Learning Course Development Kit (http://www.e-learningconsulting.com/products/index.html) являются SCORM IDE с автоматическим генерированием XML, HTML, и JavaScript кодов, используя визуальные компоненты, множество библиотек и хорошую документацию. Salasaga (http://www.salasaga.org/) – Flash-базированная среда разработки учебных ресурсов с открытым кодом, написанная на языке С, которая обеспечивает высокую степень оптимизации автоматически сгенерирванного Flash-кода. THESIS 2.6 – среда разработки  текстовых и мультимедийных ресурсов электронного обучения, использующая стандарт SCORM. THESISстандарт, интегрированный с пакетами  Microsoft Office Word и PowerPoint  для  системы коллективного авторства многоразовых учебных объектов (Collaborative Authoring of Reusable Learning Objects System CARLOS). KEEP Toolkit является системой веб-базированных инструментов подбора учебных материалов и организации  учебного процесса, стимулирующей аналитическое мышление, используя шаблоны, с динамической трансформацией учебных материалов, визуальными презентациями, обменом идеями, коллективным обучением, содействующим обмену и распространению знаний. Система электронного обучения и развития человеческих ресурсов с открытым кодом (PHP) eFront обеспечивает возможности Веб 2.0 доступа к RSS новостям, абонирование веб-уроков, форум, чат, коллективные комментарии, услуги электронной торговли, обмена файлами и подготовки обучаемых к автоматическому тестированию, автоматическую генерацию запросов (сводная информация) на: обучение, ресурсы, курсы, тесты, события, группы, участие в дискуссиях, оценки, анализ, автоматический поиск компетенции и персонализации. Имеются возможности для изменения программы характеристик окружающей среды, таких, как наличие готовых модулей, и простого построения интеграции этих модулей в системе управления. Используются HTML, JavaScript, AJAX и базы данных MySQL. Легкий доступ к ресурсам реализован на базе графического интерфейса и веб-форм. Sakai 2.6 – это Java-базираванная открытая интегрированная среда коллективного использования учебных ресурсов, разработанная на языке Java и использующая MySQL. Система Moodle, разработанная на PHP, является одной из наиболее часто используемых сред обучения и разработки ресурсов. Это модульно организированая объектно-ориентированная система для динамического электронного обучения (Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment), работает с  большим количеством форматов файлов: Word, PowerPoint, Flash, Excel, видео, аудио. Atutor (http://sourceforge.net/projects/keeptoolkit/files/) также использует MySQL и PHP и имеет модульную архитектуру с открытым исходным кодом и свободной лицензией. Это наиболее гибкий продукт свободного использования для разработки учебного материала.

Основными программными инструментальными средствами используемые для разработки учебных ресурсов являются текстовые редакторы, HTML- и XML-редакторы, редакторы электронных ресурсов (например, courselab, http://www.courselab.ru/), иллюстративной и презентационной графики (векторные и растровые), 3D графические редакторы, перекодировщики текстовых и графических форматов, редакторы звуковых файлов, редакторы видеофайлов, конверторы и перекодировщики мультимедиа, инструментальные средства создания анимации, средства организации чатов, теле-, аудио- и видеоконференций, средства информационного поиска. Наиболее удобно работать с интегрированными инструментальными средами разработки учебных ресурсов, примерами которых могут служить WebCT,  Learning Space фирмы Lotus, ToolBookII компании Asymetrix, AuthorWare компании Macromedia, HyperMetod и др. Зачастую подобные среды реализуют не только функции разработки учебных материалов, но также и другие функции, присущие АОС, включают средства обучения и средства управления обучением.

Все эти хорошие среды обучения и разработки учебных ресурсов имеют несколько существенных недостатков: система описания метаданных – синтаксическая, что делает невозможным семантический подбор и обработку ресурсов. Персонализация организована на элементарном уровне, основанном на вручную вводимой информации и ручном управлении преподавателем, автоматизация подбора ресурсов на основе машинных рассуждений невозможна. То же относится и к гибкой автоматической реализации ресурсов и управлению учебным процессом. С целью преодоления этих проблем в ряде исследовательских проектов экспериментально проведено интегрирование интеллектуальных и семантических технологий.

 

4.2. Современные технологии персонализации и адаптации в исследовательских проектах  электронного обучения

 

Для персонализации и адаптации используют, в основном, два типа технологий: сложное поведение моделируют интеллигентными агентами, а знания представляют онтологиями [1-3]. Например, мультиагентные системы VESSI (Virtual Environment for Secondary School Instruction) используют для моделирования сложных сценариев, реализующих  процесс обучения в средней школе, на основе трех моделей: модель предметной области, модель обучаемого и модель педагогических знаний, представленных с помощью онтологии. Среда разработки SCORM обучающих ресурсов Selbo2 [4] имеет SCORM редактор, который использует онтологии. Эти онтологии предоставляют разработчикам учебного материала возможность семантического описания области обучения и концептуализации педагогических знаний и педагогических целей. Selbo2 предназначена прежде всего для электронного обучения в области электроники. Среда также может быть использована для подготовки э-лекции. Редактор Selbo2 представляет собой интегрированную систему JADE агентов, и поэтому он очень гибкий, адаптивный и гарантирует коллективную разработку и обучение.

Онтологический подход был использован во многих других учебных средах обучения и разработки. Так например, в [5] представлена трехуровневая концептуальная модель, которая использует педагогическую онтологию и онтологии учебных объектов, а промежуточный уровень между ними описывает содержание объекта. В [6] используются онтология описания ресурсов и специфические алгоритмы согласования онтологии для доступа к ресурсам, находящимся в различных хранилищах, и их применение для коллективной разработки новых ресурсов. В [7] разработаны инструменты, которые используют онтологии для удовлетворения различных потребностей преподавателей и студентов в организации и обеспечении их учебными материалами. В [8] использована персонализированная сервисно ориентированная архитектура для реализации адаптивной системы электронного обучения с персонализированными функциями. В [9] онтологии использованы, в основном, для представления содержания учебных объектов, в [10] предложена модель обучения на базе агентов и онтологии, в [11] и [12] представлены модели обучающих систем для дислектиков, исспользующие онтологии, в [13] используют онтологии для представления учебного материала в трехслойной сервисно ориентированной модели. ActiveMath [14] является стабильной, веб-базированой, многоязычной, адаптивной системой обучения математике. Она является серверным приложением, содержащим базу математических знаний и генератор обучающих ресурсов, который использует эту базу и педагогические онтологии. В [15] представлена общая архитектура системы для разработки учебных ресурсов, использующая технологии семантической паутины.

Все упомянутые выше работы используют онтологии, API или рассуждения в процессе разработки или выбора обучающих ресурсов, но они не обеспечивают функциями научения онтологии. Гибкие стратегии для извлечения знаний из изучения ресурсов или автоматическая семантическая аннотация тоже отсутствует. Ни один из этих проектов не связан с обучением дислектиков или дискалькулитиков.

 

4.3. Подходы и инструменты электронизации обучения для дискалькулитиков

 

Русскоязычные электронные ресурсы для дискалькулитиков почти отсутствуют. Удалось найти только материалы, объясняющие суть дискалькулии. На запрос дискалькулия электронное обучение (без кавычек) выдано только 12 результатов, ни один из которых не представляет каких-либо связей с работающей или экспериментальной системой электронного обучения для дискалькулитиков. Курсы, разработанные на других языках [16, 17], практически не могут быть использованы для обучения, учитывая, что обучающая система нужна прежде всего детям начальной школы, а они редко свободно владеют инностранными языками и часто являются в той или иной степени дислектиками. Следовательно, системы и ресурсы для дислектиков (прежде всего англоязычные) могут быть полезны только в процессе разработки подобных ресурсов и систем на русском языке.

В [18] обсуждаются три подхода использования компьютеров в помощь обучению дискалькулитиков: добавление дополнительных упражнений, добавление новых форм интерактивных заданий и разработка новых стратегий обучения используя, возможности сотрудничества и кооперации при помощи компьютеров.

Проект Becta [19] использует Macromedia Flash и Imagine для разработки медийных ресурсов для дискалькулитиков. Недостаток этого подхода – трудная модифицикация разработанных ресурсов из-за жесткого и трудно читаемого кода Macromedia Flash.

В [16] описан адаптивный инструмент электронного обучения для детей на основе мультимедийных забавных игр. Он может динамически адаптироваться к индивидуальному уровню каждого ребенка, используя многомерный алгоритм машинного обучения.

Как видно из представленного анализа исследований и обучающих ресурсов, связанных с дискалькулией, ресурсы и системы назначены прежде всего для отстающих в математике, мало таких, которые целенаправленно предусмотрены для дискалькулитиков: они используются лишь в узкой подобласти математики и только на исследовательском уровне. Далее представим модель гибкой, открытой и расширяемой интегрированной электронной системы для обучения и разработки ресурсов для дискалькулитиков на основе интеллектуальных и мультиагентных технологий, которая использует онтологии и легко может адаптироваться к персональным потребностям обучаемых.

5. Модель гибкой среды обучения и разработки ресурсов для детей с дискалькулией

Среды обучения для детей с дискалькулией должны включать инструменты разработки обучающих ресурсов (чтобы преподаватель имел возможность динамически адаптировать ресурсы для каждого конкретного случая), инструменты управления учебным процессом педагогом или психологом и инструменты самообучения (чтобы ученик сам или с помощью родителей или товарищей мог обучаться или упражняться).

Проанализировать различные сложные мультимедийные ресурсы и оценить их в отношении персональных особенностей конкретного обучаемого перед каждым сеансом обучения достаточно трудоемкий процесс. Чтобы автоматизировать этот процесс необходимо сохранить информацию об обучаемых, ресурсах и педагогических знаниях в машинно-обрабатываемом формате, гарантирующем применение машинного логического вывода. Поэтому для разработки и реализации ресурсов для дискалькулитиков надо использовать онтологии для организации различных типов необходимых знаний. В последние годы опубликовано много работ о моделях обучающим систем на базе онтологий, но на практике они не существуют: были отдельные эксперименты с  семантическими технологиями в системах электронного обучения, которые в большинство случаев показали неплохие результаты, но в системах электронного обучения они практически редко используются. Одной из основных причин этого является плохая интеграция инструментов и методов обработки знаний. В предлагаемой модели представим интеграцию инструментов разработки, семантического поиска и оценки ресурсов, а также  кооперативных сценариев разработки на основе знаний о различных компонентах и функциях электронной системы. Отдельно обсудим модель знаний в системе и модель интеграции ресурсов, которая использует эти знания. Будем  называть ее программной моделью.

 

5.1. Модель знаний интегрированной системы разработки и обучения

 

 Основные знания, которые необходимо сохранить в формате, пригодном для машинной обработки, должны включать следующее (рис. 2):

-           предметную область обучения;

-           структуру документа;

-           педагогические знания;

-           особенности дискалькулии и дислексии;

-           профиль обучаемогою

Знания об области обучения (в данном случае математические знания) надо представить в виде онтологий для выполнения автоматической компьютерной оценки тематической близости учебных материалов, найденных при помощи поисковых машинах в интернете с целями обучения в каждом конкретном случае. Общая предметная онтология (ОПO) помогает при разграничение смысла математических понятий с синтаксически сходными словами из других областях. Так, например, понятие “площадь” может быть численной характеристикой двумерной  геометрической фигуры, но “площадь” может быть и частью города (например, Красная площадь)  тогда оно ничего общего с математикой не имеет.  Подробная математическая онтология (ПМO) детально классифицирует понятия изучаемой области математики и их взаимосвязи, а онтология математических утверждении (OМУ) моделируют определения сложных понятий и теоремы, выражающие комплексные зависимости. Визуализация подобных структур очень полезна для понимания сущности сложных определений и теорем.


Рис. 2. Модель знаний

 

Структура документа – одна из важнейших его характеристик, которая может сделать его полезным для обучения дислектиков или дискалькулитиков или нет. Поэтому онтологии, явно представляющие систему понятий, важны для детальной характеристики структуры документа (онтология структуры документа, ОСД) и подходов к представлению знаний в документе (онтология представления документа, ОПД), очень важны для аннотации документов и для оценки их пригодности именно для дискалькулитиков с конкретными проблемами в области математики.

Педагогические знания необходимо представить с помощью онтологий, чтобы обеспечить автоматическую оценку педагогических качеств ресурса. Можно использовать стандартную онтологию учебного дизайна (IMS Learning Design, IMS LD), но с концептуализацией специфичных целей в процессе обучения дискалькулитиков (целевая онтология дискалькулии, ЦОДк) или дислектиков (целевая онтология дислексии, ЦОДл), т.к. это очень важно. Учитывая, что дислектики и дискалькулитики часто во многом отличаются друг от друга, и имеется много различных степеней проявления этих когнитивных проблем, классификация проявления дислексии (онтология классификации дислексии, ОКДл) и дискалькулии (онтология классификации дискалькулии, ОКДк) тоже очень важна.

Чтобы компьютер мог быть полезен в процессе определения конкретных целей обучения для каждого обучаемого, нужно сохранять персональную информацию о возможностях, достижениях и проблемах, связанных с обучением, дислексией и дискалькулией, о каждом обучаемом в виде, допускающем компьютьрную обработку. Для этой цели можно использовать стандарт IMS Learner Information Packaging (IMS LIP), разработанный для описания профиля обучаемого при электронном обучении, и связанную с ним экспериментальную онтология [14], которую можно расширить путем добавления характерных для дислектика и дискалькулитика понятий и их связей с аналогичными понятиями в остальных онтологиях, связаных с дислексией и дискалькулией. 

 

5.2. Программная модель

 

Цель этой модели – предложить гибкую надстройку для современных систем электронного обучения, которая в достаточной степени могла бы гарантировать адаптацию к обучаемым и в то же время коллективную, кооперативную и автоматизированную разработку обучающих ресурсов для дискалькулитиков. Так, хорошая система создания обучающих ресурсов должна предложить разработчикам:

-  автоматизированный поиск подходящего для конкретной цели и обучаемого ресурса. Учитывая, сложность и комплексность ресурсов для дискалькулитиков, для достижения этой цели ресурсы  должны быть подробно аннотированны на основе единого онтологического представления знаний и структуры документа;

- автоматизацию оценки и выбора наиболее подходящих для каждого дискалькулитика ресурсов. Ресурсы должны включать как текст, так и мультимедийные средства и интерактивность, чтобы воздействовать на все сенсоры обучаемого, удерживать его внимание и интерес, обеспечивать быструю обратную связь;

- автоматизацию аннотирования ресурсов на основе гибкого графического интерфейса или автоматизированное извлечение информации из текстовых документов. Учитывая внутреннюю сложность этих ресурсов, аннотировать их полностью автоматически достаточно трудно, и поэтому необходимо стимулировать разработчиков, чтобы они с удовольствием готовили аннотации, предлагая им хорошие аннотирующие инструменты;

 -   удобный доступ к богатому набору инструментов разработки  мультимедийных ресурсов; 

 - инструменты для манипулирования персональной информацией об обучаемом (отслеживание его достижений).

 Считаем, что мультиагентная система, использующая описанную выше модель знаний является более удачной программной архитектурой, отвечающей всем перечисленным требованиям. Основная схема этой архитектуры представлена на рисунке 3.

Персональный агент разработчика ресурсов (ПАР) предоставляет гибкий интерфейс для интеллектуального целевого поиска ресурсов, которые могут оказаться полезными при разработке специализированных учебных материалов для дискалькулитиков, интерфейсов и инструментов работы с персональной информацией обучаемых, мультимедийной разработки, аннотирования разработанных ресурсов.

Персональный агент дискалькулитика (ПАД) предоставляет простой и в то же время гибкий интерфейс, направленный на формирование логико-абстрактной и зрительно-пространственной мыслительной деятельности дискалькулитика и развитие способностей, связанных с математическими знаниями и умением организовать свою работу и обучение.

 Целевой агент или агент, работающий с целями (ЦА) – это специализированной агент для подготовки дискалькулитиков, который на основе знаний о дислексии и дискалькулии и конкретных  проблемах обучения каждого ребенка (динамически описываемых в его профиле) помогает разработчикам ресурсов в процессе формулирования требований к ресурсам в ходе поиска, а также и при формулировании дискалькулитивной специфической цели в процессе организации обучения.

Ресурсные агенты (РА) используют необходимые им знания, хранящиеся в базе (онтологии), в процессе  (по-возможности) интеллигентной и эффективной организации работы с различными типами ресурсов (аннотированными или нет, внутренними из архива учебных объектов или внешними, полученными из интернета). Каждый агент предназначен для работы с конкретным типом ресурса. Их работа частично управляется управляющим ресурсным агентом. Так, например, агент аннотированных ресурсов (ААР) выполняет подбор и сравнение ресурсов на основе их аннотации, агент текстовых ресурсов (АТР) использует методы и алгоритмы для извлечения структурированной информации из текстовых ресурсов, поскольку он работает, главным образом, с неаннотированными текстовыми ресурсаов, а Веб 2.0 агент ищет информацию в блогах, работает с тагами и другими веб 2.0 ресурсами.

Управляющий ресурсный агент (УРА) на основе цели, поставленной целевым агентом, и знаний  из базы (онтологии) распределяет задачи между ресурсными агентами, получает от них информацию о различных типах ресурсов и после обработки и сравнения рекомендует их как более или  менее соответствующие цели. 

Данная система является легко расширяемой, т.е. позволяет включать дополнительные агенты, например, для работы с другими медийными ресурсами.

 

 

 

 

 

 


Рис. 3. Архитектура системы разработки и обучения дискалькулитиков

 

Во внутреннем архиве ресурсов хранятся все (желательно аннотированные) разработанные в системе ресурсы для дислектиков или дискалькулитиков. Они должны быть высококачественными, чтобы стимулировать сенсорные, речевые и интеллектуальные компоненты формирования математических представлений и понятий, уровень сформированности математических представлений на начальном этапе обучения, с ними должно легко работаться, они должны быть мультисенсорные, интерактивные, увлекательные, чтобы дети с удовольствием  использовали  их повторно. Особо важна хорошая система поиска в архиве (как  в связи с математическими понятиями, так и в соответствии с педагогическими целями).  

Инструменты разработки. Кроме инструментов разработки, которые интегрированы в современные среды разработки учебных ресурсов (как инструменты для создания высококачественных мультимедийных материалов, для отслеживания процесса обучения,  для автоматизации работы с личной информацией и т. д.)  здесь особое значение имеет инструмент специализированной аннотации, направленный на особенности документов, делающие их пригодными для дискалькулитиков. Поскольку ресурсов для дискалькулитиков очень мало, и их можно легко потерять во множестве аналогичных тем для нормальной аудитории, поэтому особенно важны инструменты для динамичного семантического поиска и подбора наиболее подходящих ресурсов и инструменты для создания семантической аннотации ресурсов (с использованием  онтологии). Компьютерные программы для периодической оценки когнитивного состояния обучаемых и на этой основе определения ближайших целей обучения и долгосрочных перспектив развития каждого дискалькулитика, как и параллельное оценивание дислектических и дискалькулитивных проблем обучения также  являются одним из важнейших инструментов.

Преимущества и недостатки представленной модели, основанной на знаниях

Основные преимущества предложенной модели – это еë возможность персонализации, расширяемость, гибкость и динамическая адаптация к имеющимся исходным ресурсам и потребностям обучаемых. Онтологическая модель основана на знаниях, и кроме синтаксического поиска и оценки ресурсов позволяет работать с ними, используя рассуждения на основе семантики: например, если ресурс хорош для дислектиков и предназначен для обучения математике, то можно сделать вывод, что он более пригоден для дискалькулитиков, чем аналогичные по той же темой, но предназначенные для обычной школьной программы, т.е. он займет более высокое место в классификации. Представленные посредством онтологий знания могут использоваться интеллигентным агентом в процессе коммуникации, организации обучения и разработки ресурсов, поиска дополнительных ресурсов в интернете, генерирования рекомендаций ресурсов для обучения или разработки. Многоагентная архитектура гарантирует простую реализацию коммуникации между отдельными модулями системы и в то же время динамический выбор сценария разработки в зависимости от конкретных целей и имеющихся ресурсов. На рисунке 4, используя диаграммы последовательностей действий (Sequence diagram), показана возможная система сценариев. Персональный агент разработчика ресурсов помогает преподавателю сформулировать относительно ясный запрос поиска готовых или внешних интернет-ресурсов в процессе разработки специфического обучающего ресурса для конкретного типа дискалькулика или дискалькулитика, его компетентности, прежде всего, в области математики. Затем он посылает этот запрос целевому агенту с просьбой сформулировать конкретные педагогические цели и определить важнейшие структурные и презентационные характеристики учебного материала для этих целей. Целевой агент на основе этой информации и знаний о доступных ресурсах и ресурсных агентах решает, каким ресурсным агентом послать запроса о ресурсах, затем свои заключения передаëт ресурсным агентам и ждëт их ответы, интегрирует полученные результаты и посылает их персональным агентом разработчика ресурсов. В случае, когда ресурсы не имеют достаточной метаинформации, управляющий ресурсный агент может принять решение направить их к аннотациям, если система имеет аннотированные инструменты для такого типа ресурса.


Рис. 4. Диаграмма последовательности действий при кооперативной разработке ресурсов

 

Недостатки и трудности, связанные со многими нерешенными проблемами в области извлечения и обработки знаний, особенно в отношение анализа сложных многокомпонентных и мультимедийных документов, – это отсутствие стандарта семантической аннотации документов, и особенно специально предназначенных для дислектиков  и дискалькулитиков.

Заключение

Дискалькулитиками является значительная часть школьников. Они, как правило, здоровые и умные дети, но имеют специфические трудности в изучении математики, которые можно преодолеть за счет использования специальных подходов к обучению. К сожалению, эти подходы довольно специфичны, сложны и индивидуальны, поэтому учителя очень редко ими пользуются, а подходящие системы электронного обучения для дискалькулитиков пока не разработаны. В статье предложена модель организации знаний для дискалькулитиков и математических знаний при помощи онтологии и программная мультиагентная модель интегрированной системы разработки ресурсов электронного обучения для дискалькулитиков. На основе положительных результатов проведенных в последние годы многих экспериментов использования онтологии в электронном обучении и усовершенствовании программного обеспечения для разработки онтологий, мультиагентных систем и электронных мультимедийных ресурсов, считаем, что реализация предложенной модели практически возможна и должна существенно помочь в обучении детей с дислексией и дискалькулией.  

Литература

1.       Ganchev S. Stojanov M. O’Droma I.  Enhancement of DeLC for the Provision of Intelligent Mobile Services. - Proc. of the 2nd International IEEE Conference on Intelligent Systems (IS’2004), vol. 1, Varna, Bulgaria, 22-24 June 2004. IEEE Cat. No. 04EX791 - pр. 359-364, ISBN 0-7803-8278-1.1

2.       Stoyanov, S. Ganchev I., Popchev I., O’Droma M., Venkov R. A Scenario-Based Approach for the Creation of a Virtual Environment for Secondary School Instruction. // Bulgarian Academy Of Sciences Cybernetics And Information Technologies, Volume 8, No 3, Sofia, 2008 – рр. 86-96

3.       Stoyanov, S. Ganchev I., Popchev I., O’Droma M., Venkov R. DeLC – distributed e-Learning center. Proc. of the 1st Balkan Conference on Informatics BCI’2003, Thessaloniki, Greece, 2003- pр. 327-336 

4.       Stoyanov, S.  Mitev, D.  Minov, I.  Glushkova, T., eLearning Development Environment for Software Engineering Selbo 2. Proc. of the 19th International Conference on Database and Expert Systems Application, 2008 - pp.100-104

5.       Knight C., Gašević D., Richards G.  An Ontology-Based Framework for Bridging Learning Design and Learning Content. International Forum of Educational Technology & Society (IFETS), 2006 – рр. 23-37

6.       Ullrich C. Course Generation as a Hierarchical Task Network Planning Problem. // PhD thesis, Computer Science Department, Saarland University, Saarbrücken, 2007- 271 р.

7.       Tane J., Schmitz C., Stumme G. Semantic Resource Management for the Web: An E-Learning Application, Proc. of the 13th international World Wide Web conference on Alternate track papers & posters, New York, NY, USA, 2004, рр. 1-10.

8.       Dolog P., Henze N., Nejd W., Sintek M. Personalization in Distributed eLearning Environments. Proc. of the 13th international World Wide Web conference on Alternate track papers & posters, New York, NY, USA, 2004 -  рр. 170-179.

9.       Amorim R. R., Lama M., Sánchez E., Riera A., Vila X. A. A Learning Design Ontology based on the IMS Specification. // Educational Technology & Society, 9(1), 2006- рр. 38-57.

10.    Agarwal R., Deo A., Das S. Intelligent agents in Elearning. // ACM SIGSOFT Software Engineering Notes, 29(2), Vol. 29, No. 2, 2004 -pp.1-3.

11.    Ivanova T., Terzieva V., Andreev R. Integration of Ontology with Development of Personalized E-Learning Facilities for Dyslexics. // Lecture Notes in Computer Science, Volume 6304/2010 - рр. 265-266, DOI: 10.1007/978-3-642-15431-7_29, 2010, ISSN 0302-9743

12.    Ivanova T., Terzieva V., Andreev R. Ontology-based Recommendation System for Personalized Education of Dyslexics to Read. Proc. of the Second International Conference on SOFTWARE, SERVICES & SEMANTIC TECHNOLOGIES, Varna, Bulgaria, 2010– 2 р., ISBN 978-954-9526-71-4

13.    Jekjantuk N.,Hasan M.  E-Learning Content Management. An Ontology-Based Approach. Proc. of the third conference on IASTED International Conference: Advances in Computer Science and Technology, 2007 - pр.78-83.

14.    Active Math / Интернет  http://www.activemath.org/Software

15.    Cardoso J.  Developing Course Management Systems Using Semantic Web Technologies - Department of Mathematics and Engineering, University of Madeira, 9000-390, 2008 – 24 р.

16.    Brunda A., Bhavithra J.  Adaptive computer assisted instruction (CAI) for students with dyscalculia (learning disability in mathematics). Proc. of the 1st Amrita ACM-W Celebration on Women in Computing in India, 2010 – 7 р.

17.    Trott C., Perkin G.  Mathematical and Statistical Support for Dyslexic Undergraduates. - Mathematics Education Centre, Loughborough University, 2005 – 12 р.

18.    Beacham N., Mathematical Difficulties Experienced by Computer Science Students with Specific Learning Difficulties and/or Mathematics Anxiety. -  HEA-ICS Final Report,   2005 -59 р.

19.    Laurillard D., Baajour H. Digital interventions for dyscalculia and low numeracy. // Final Report (D2) For the Becta Research Grant programme 2008-2009 – р. 18 

20.    Miloshevic D., Sendelj R., Brkovic M. Ontology-based Learner modelling system for Web-based education. Proc. of the 5th WSEAS International conference on E-Activities, Venice, Italy, 2006 – рр.  394 -398