авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Крейдер, Оксана Александровна Информационная среда использования ГИС­технологий в образовании ...»

-- [ Страница 2 ] --

• операции оверлея, операции «картографической алгебры» для логи ко-арифметической обработки растрового слоя как единого целого;

• пространственное моделирование, или геомоделирование;

• нространственный анализ — грунна операций, обеспечивающих апализ размещения, связей и иных пространственных отношений объектов, включая анализ зон видимости/невидимости, анализ соседства (см. анализ бли зости), анализ сетей, создание и обработку цифровых моделей рельефа, анализ объектов в пределах буферных зон др.;

• вывод данных - графической, табличной и текстовой документа ции, в том числе ее тиражирование, документирование, или генерацию отчетов в целом;

• операции распознавания образов - выделение объектов, разделение объектов, упорядочепие объектов, формирование рещающего правила, органи загщю образов, снижения размерности нространства признаков;

• обслуживание процесса принятия рещений, формирование ГИС проекта, создание гинертекстового справочника, анализ и интерпретация выход ных данных и др.

Приведенный перечень формальных операций может расширяться в про цессе решения и пакопления предметных задач. Каждая формальная операция должна иметь свою формулировку, методы и алгоритмы выполнения, программ ное и методическое обеспечение.

2.2. Технология декомпозиции предметных задач для сведения их к последовательности формальных операций.

Традиционный взгляд на человеческую деятельность нреднисывает выде лять нри декомнозиции следующие фрагменты нредметной области: данные, функции и нроцессы. Данные - это информационные образы нредметов и кон центуальных взаимосвязей предметной области, функции - нреобразователи од них данных в другие, а нроцессы - онисания динамической организации обра ботки данных посредством функций. Такой подход называется структурной де комнозицией. Он оказал значительное влияние на организацию программных систем, предлагая рассматривать их как динамические комплексы, состоящие из алгоритмов (функций) и данных. Естественной формой заниси результатов структурной декомнозиции является набор графов, узлы которых обозначают данные и функции, а линии - концентуальные и динамические взаимоотнощения между ними. Такие графы оснащаются текстовыми нояснениями, онисывающи ми структуру данных и свойства функций. Широко применяются также разнооб разные структурные нотации записи структурных моделей, основанные на языке XML. Совнадение названий здесь не случайно: правила декомпозиции текстов, предусмотренные в этом языке, согласуются с нринципами структурного нодхо да.

Для моделирования данных иснользуют диаграммы «сущность-связь» (En tity-Relationship Diagrams, ERD). Сущность - это сложный тип данных, состоя щий из атрибутов, которые нринадлежат ей или наследуются через связи.

Для каждой сущности указывается ключ - минимальный набор атрибутов, которые однозначно идентифицируют каждое значение (экземпляр). Связь - это имено ванное «двухсортное» отнощение, связывающее несколько (ноль или более) эк земпляров одпой сущпости с несколькими значениями другой. В диаграммной записи сущности обозначаются именованными и нумерованными прямоуголь пиками, а связи - направленными линиями, с указанием имени и местности. Та кой метод моделирования данных зафиксирован в стандарте IDEF1X. Он нод держивается CASE-средством Computer Associates ERwin. Структурный нодход особенно удобен для моделирования задач организации и унравления человече ской деятельностью в различных предметных областях. С его номощью удалось создать значительное количество программных систем автоматизированной поддержки менеджмента и делонроизводства, отличающихся высоким качест вом.

Существует подход к декомнозиции сложной предметной области, орто гональный по отношению к структурному. Вместо того чтобы отдельно указы вать данные, функции и процессы, он предписывает выделять объекты — мини мальные автономные нодобласти, в которых присутствуют и данные (атрибуты), и функции (методы). Среди статических взаимосвязей между объектами особо выделяется иерархическое классификационное отношение «частное-общее».

Оно описывается как наследование, причем примепительно не к конкретным объектам, а к классам - типам объектов. Сами объекты вступают в такие отно щения (ассоциации), как «часть-целое» (агрегация), использование и др. Дина мика описывается в терминах обмена сообщениями между объектами. Такой нодход естественным образом называется объектно-ориентированным. В на стоящее время объектно-ориентированный подход является доминирующим ме тодом создания программного обеспечения. В виде объектов представляют лю бые фрагменты предметной области, независимо от того, отвечает ли их выделе ние принципам объектной декомнозиции. К этому стимулируют современные языки программирования и технологии разработки, которые, как правило, наце лены на нрименение объектно-ориентированного нодхода. Среди технологий каноном считается Rational Unified Process (RUP). Широко распространенные CASE-средства, поддерживающие их, выпускаются компанией IBM Rational.

Они позволяют не только составлять модель, но и проверять ее соответствие критериям объектной декомпозиции. Кроме того, они обладают мощными сред ствами трансформации UML-моделей, в том числе генерации программ, конкре тизации шаблонов проектирования и т.д. Развитый программный интерфейс по зволяет разработчикам реализовывать и подключать собственные трансформа ционные модули.

Объектной декомнозицией называют нроцесс нредставления предметной области задачи в виде совокунности функциональных элементов (объектов), об менивающнхся в нроцессе вынолнения программы входными воздействиями (сообщениями). Каждый выделяемый объект нредметной области отвечает за выполнение некоторых действий, зависящих от полученных сообщений и пара метров самого объекта. Совокупность значений параметров объекта называют его состоянием, а совокуппость реакций на получаемые сообщения — поведепи ем. Параметры состояния и элементы поведения объектов определяются услови ем задачи. В процессе рещения задачи объект, получив некоторое сообщение, вынолняет заранее определенные действия, например, может изменить собст венное состояние, выполпить пекоторые вычисления, нарисовать окно или гра фик и, в свою очередь, сформировать сообщения другим объектам. Таким обра зом, процессом рещения задачи управляет последовательность сообщений. Пе редавая эти сообщения от объекта к объекту, нрограмма выполняет необходи мые действия.

На самом деле метод декомпозиции следует выбирать, исходя из естест венной точки зрения на предметную область. Например, предметы математиче ской деятельности - числа, фигуры, множества и т.д. - нельзя считать объекта ми, поскольку функции действуют на них «внещним» образом. Примером про тивоположного характера является розничная торговля, сводящаяся к хорошо регламентированным актам взаимодействия между обособленными самостоя тельными объектами, такими как продавец, покупатель, товар, кредитпая кар точка. В качестве компромисса между структурным и объектным нодходом применяется компопентная декомпозиция: крупные функциональные блоки оформляются как комноненты, дальнейшая декомпозиция которых осуществля ется согласно принципам объектно-ориентированного подхода.

Технология сведения задач к носледовательности формальных операций заключается в декомпозиции предметных задач по уровню сложности, что по зволяет получить задачи дифференцированного тина для каждого этапа пепре рывного обучения.

Необходимость декомпозиции предметных задач на формальные онера ции онределяется вычислительной эффективность решения задачи и возмож ность дифференциации задачи по уровню сложности для каждого этапа непре рывного обучения. Декомпозиция состоит в четком определении каждой опера ции, порядка их решения и взаимодействия, в результате чего достигается логи ческое упрощение задачи и появляется возможность модификации отдельных подзадач без изменения остальной части системы.

В работе предлагается следующая схема технологии декомпозиции предметных задач, которая включает такие этапы как:

1. Разработка онтологии задачи предметной области.

2. Формулировка предметной задачи.

3. Формализация предметпой задачи.

4. Определение последовательности формальных операций 5. Формирование технологического паспорта задачи.

Предлагаемая автором технология декомпозиции предметных задача онирается на общую схему постановки и рещения предметных задач. Основные этапы технологии приведены ниже на рис.2.5.

Разработка онтологии задачи из нредметной области является первым подготовительным этапом. Под онтологией можно понимать:

• надежный семантический базис в онределении содержания;

• общую логическую теорию, которая состоит из словаря и набора утверждений на некотором языке логики;

• основу для коммуникации между людьми и комньютерньши аген тами.

Как отмечалось выше, онтология онределяет термины, с номощью кото рых можно описать предметную область, осуществляя поиск и объединение ин формации из различных источников. Традиционно при решении задач специали сты используют привычные для них источники информации, и формулируют за дачи, опираясь только на них, откуда очевидна неполнота информации. По скольку онтология определяет термипы конкретной области знаний, она должна описываться формальным языком, основанном на принципах математической логики. Тогда для классов объектов, их свойств и отношений между ними можно сформулировать четкие, детализированные и целостные определения. В свою очередь, средства обработки онтологии смогут автоматически вывести некото рые заключения, основываясь на принципах математической логики. Средства обработки онтологии могут предоставлять крайне полезные сервисы различным интеллектуальным приложениям: программам семантического поиска информа ции, программным агентам, системам принятия решений, системам раснознава ния речи и естественного языка, базам знаний, системам электронной коммер ции.

Схема технологии декомпозиции предметных задач Разработка онтологии задачи предметной области - извлечение и систематиза ция знаний о предметной области.

Результатом являются:

• термины, факты, правила;

• условия, ограничения, определяющие сущности предметной области;

• функции и методы выявления и представления сущностей предметной области Формулировка предметной задачи Формализация предметной задачи Формал изованная Формализованная задача № 1 задача №N операция №1 операция №2 ••• операция №к ••• операция №М Определение последовательности формальных операций для решения формали зованной задачи Составление технологического паспорта задачи:

• перечень формальных операций • программное обеспечение • методическое обеспечение Рис.2.5. Этапы декомпозиции предметпых задач.

В настоящее время для создания и поддержки онтологии существует це лый ряд инструментов, которые номимо общих функций редактирования и про смотра выполняют поддержку документирования онтологии, импорт и экспорт онтологии разных форматов и языков, ноддержку графического редактирования, управление библиотеками онтологии и т.д. На сегодняшний день консорциумом W3C разработан и рекомендован язык онтологии OWL (Ontology Web Language), который спроектировап для хранения и отображения большого количества раз нородной информации и знаний, а также для поддержки семантики и связей ме жду этими знаниями.

Инженерию онтологии можно онределить как совокупность действий, ка сающихся: процесса разработки онтологии;

• жизненного цикла онтологии;

• методов и методологий построения онтологии;

• набора инструментов и языков для их построепия и поддержки.

Результатом разработки онтологии является понятийный аппарат, вклю чающий термины и определения осповных понятий и набор категорий (ресурсы, процессы, механизмы, результаты, управление) предметной задачи.

Этаны формулирования и формализации задачи подробно описапы в раз деле 2.4., и практически полностью совнадают. Поэтому в данном разделе отме чаются лишь результаты каждого из этих этапов. Этап формулирования задачи включает онределение целей, исходных данных, модели задачи нредметной об ласти, результата и критерия оценки результата. На даппом этане формируется содержательная ностановка задачи нредметной области.

Результатом этапа формализации предметной задачи является набор фор мализованных задач, которые далее сводятся к носледовательности формальных операций. Таким образом, на данном этане может произойти разбиение исход ной задачи на более простые или отличные по содержанию. Это, в свою очередь, позволяет формировать разные учебные нрактические задания на основе одной исходной предметной задачи.

Завершающим этаном технологии декомпозиции является формировапие технологического паспорта задачи, который содержит технологический сцена рий решения, рекомендации но выбору программного обеспечения, методов и алгоритмов реализации операций, методические рекомендации.

Разработанная технология декомпозиции является унифицированным ме тодом сведения предметных задач к набору формальных операций, которые имеют свои алгоритмы и средства реализации и являются основой для синтеза новых задач различного уровня сложности.

2.3. Методы реализации формальиых операций иа осиове аппарата распозиавания.

Применение методов распознавания позволяет решать широкий снектр задач, связанных с описанием объектов исследования, оценки допустимости и информативности исходных экспериментальных данных. Примерами задач, ре шаемых в среде ГИС на основе методов распознавания, являются задачи рай онирования, оценки, классификации и упорядочения.

Распознавание представляет собой информационный процесс, реализуе мый некоторым преобразователем информации (интеллектуальным информаци онным каналом, системой распозпавания), имеющим вход и выход. На вход сис темы подается информация о том, какими призпаками обладают предъявляемые объекты. На выходе системы отображается информация о том, к каким классам (обобщенным образам) отнесены раснознаваемые объекты. Раснознаванием об разов называются задачи построения и применения формальных операций над числовыми или символьными отображениями объектов реального или идеально го мира, результаты, решения которых отражают отношения эквивалентности между этими объектами. Отношения эквивалентности выражают принадлеж ность оцениваемых объектов к каким-либо классам, рассматриваемым как само стоятельные семантические единицы.

Исходной информацией являются описания объектов, ситуаций, предме тов, явлений или нроцессов Sв виде векторов значений признаков S=(xi(S),X2(S),...,Xn(S)), где признаки Xj, i=l,...,n, характеризуют различные сторо ны-свойства S. У объектов S существует «основное свойство» y(S), которое для части объектов Si,S2,...,Sm нредполагается известным, а для части объектов нет.

Свойство принимает конечное число значений. Задача раснознавания (прогноза, идентификации, «классификации с учителем») состоит в определении значения свойства y(S) по информации Si,S2,...,Sm,y(Si),y(S2),...,y(Sni) (обучающей или эта лонной выборке). Примерами подобных задач являются:

• задачи медицинской диагностики, в которых по совокупности сим птомов, данных лабораторных обследований и т.п. требуется поставить диагноз при заданном конечном наборе возможных их вариантов;

• задачи технической диагностики, когда по набору значений косвен ных технических параметров, показаниям датчиков и приборов требуется опре делить наличие или вид неисправпости;

• прогноз эффективности инвестирования предприятия по его финан сово-экономическим показателям;

• прогноз тенденций в политике, финансах и экономике, выявление и оценивание скрытых факторов;

• прогноз свойств органических/неорганических химических соеди нений и снлавов по составляющим компонентам и технологии нроизводства;

• прогноз урожайности сельскохозяйственных культур по описанию их состояния на различных стадиях роста и климатических условий;

• распознавание изображений, рукописных и других символов, под писей.

Для решения большей части из перечисленных задач в качестве инстру мента иснользуются ГИС технологии. ГИС являются хорошей средой для вне дрения методов искусственного интеллекта, экспертных систем, методов распо знавания, что вызвано, с одной стороны, разнообразием и сложностью данных в ГИС, с другой - наличием большого числа аналитических задач при использова нии ГИС. Иекоторые задачи в определенных моделях распозпавания не имеют решения и, соответственно, не ставятся. Далее приводятся формализованные за дачи, свойственные аппарату распознавания образов.

Задача формализации предметной области. По сути это задача является задачей кодирования. Составляется список обобщенных классов, к которым мо гут относиться конкретные реализации объектов, а также список признаков, ко торыми эти объекты в принцине могут обладать.

Задача формирования обучаюшей выборки. Обучающая выборка пред ставляет собой базу данных, содержащую описания конкретных реализаций объ ектов на языке признаков, дополненную информацией о принадлежности этих объектов к определенным классам распознавания.

Задача обучения системы распознавания. Обучающая выборка использу ется для формирования обобщенных образов классов распознавания на основе обобщения информации о том, какими признаками обладают объекты обучаю щей выборки, относящиеся к этому классу и другим классам.

Задача снижения размерности пространства признаков. После обучения системы распознавания (получения статистики раснределения частот признаков но классам) становится возможным определить для каждого признака его цен ность для рещения задачи раснознавания. После этого наименее ценные нризна ки могут быть удалены из системы признаков. Затем система раснознавания должна быть обучена заново, так как в результате удаления некоторых призна ков статистика распределения оставщихся признаков по классам изменяется.

Этот процесс может повторяться, т.е. быть итерационным.

Задача распознавания, идентификации и прогнозирования. Распознаются объекты распознаваемой выборки, которая, в частности, может состоять и из од ного объекта. Раснознаваемая выборка формируется аналогично обучающей, но не содержит информации о принадлежности объектов к классам, так как именно это и определяется в процессе распознавания. Результатом распознавания каж дого объекта является распределение или список всех классов распознавания в порядке убывания степени сходства распознаваемого объекта с ними.

Задача контроля качества распознавания, идентификации и прогпозирова ния. После распознавания может быть установлена его адекватность. Для объек тов обучающей выборки это может быть сделано сразу, так как для них просто известно, к каким классам они относятся. Для других объектов эта информация может быть получена позже. В любом случае может быть определена фактиче ская средняя вероятность ощибки по всем классам распознавания, а также веро ятность ощибки при отнесении распознаваемого объекта к определенному клас су. Результаты распознавания должны интерпретироваться с учетом имеющейся информации о качестве раснознавания.

Задача адаптации. Если в результате выполнения процедуры контроля ка чества установлено, что оно неудовлетворительное, то описания пеправильно распознанных объектов могут быть скопированы из распознаваемой выборки в обучающую, донолнены адекватной классификационной информацией и исполь зованы для переформирования решающих нравил, т.е. учтены. Более того, если эти объекты не относятся к уже имеющимся классам раснознавания, что и могло быть нричиной их неверного распознавания, то этот список может быть расши рен. В результате система раснознавания адаптируется и начинает адекватно классифицировать эти объекты.

Задача выработки управления (обратная задача раснознавания, идентифи кации и прогнозирования). Задача распознавания состоит в том, что для данного объекта по его известным признакам устанавливается его принадлежность к не которому ранее неизвест1юму классу. В обратной задаче распозпавапия, паобо рот, для данного класса раснознавания устанавливается, какие признаки наибо лее характерны для объектов данного класса, а какие нет (или какие объекты обучающей выборки относятся к данному классу).

Задачи кластерного и конструктивного анализа. Кластерами называются такие группы объектов, классов или призпаков, что внутри каждого кластера они максимально сходны, а между разными кластерами - максимально различны.

Конструктом (в контексте, рассматриваемом в данном разделе) называется сис тема нротивоположпых кластеров. Таким образом, в определенном смысле кон структы есть результат кластерного анализа кластеров. В кластерном анализе количественно измеряется стенень сходства и различия объектов (классов, при знаков), и эта информация используется для классификации. Результатом кла стерного анализа является сама классификация объектов по кластерам. Эта клас сификация может быть представлена в форме семантических сетей.

Задача когнитивного анализа. В когнитивном анализе информация о сходстве и различии классов или нризнаков интересует исследователя сама по себе, а не для того, чтобы иснользовать ее для классификации, как в кластерном и конструктивном анализе. Если для двух классов раснознавания является харак терным один и тот же признак, то это вносит вклад в сходство этих двух классов.

Если же для одного из классов этот нризнак является нехарактерным, то это вно сит вклад в различие. Если два признака коррелируют друг с другом, то в опре деленном смысле их можно рассматривать как один признак, а если антикорре лируют, то как различные. С учетом этого обстоятельства наличие различных признаков у разных классов также вносит определепный вклад в их сходство и различие. Результаты когнитивного анализа могут быть представлены в форме когнитивных диаграмм.

Различные авторы (Ю.Л. Барабаш, В.И. Васильев, А.Л. Горелик, В.А.

Скринкин, Р. Дуда, П. Харт, Л.Т. Кузин, Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко, Ф.Е.

Темников, Дж. Ту, Р. Гонсалес, П. Уинстон, К. Фу, ЯЗ. Цынкин и др.) дают раз личную типологию методов распознавания образов. Одни авторы различают па раметрические, непараметрические и эвристические методы, другие - выделяют группы методов, исходя из исторически сложившихся школ и направлений в данной области. В разделе дан академический обзор методов распознавания, ис пользуется следующая типология методов распознавания образов:

• методы, основанные на принципе разделения;

• статистические методы;

• методы, построенные на основе «потенциальных функций»;

• методы вычисления оцегюк (голосования);

• методы, основанные на исчислении высказываний, в частности на аппарате алгебры логики.

В основе данной классификации лежит различие в формальных методах распознавания образов и поэтому опущено рассмотрение эвристического подхо да к распознаванию, получившего полное и адекватное развитие в экспертных системах. Эвристический подход основан на трудно формализуемых знаниях и интуиции исследователя. При этом исследователь сам определяет, какую ин формацию и каким образом система должна использовать для достижепия тре буемого эффекта распознавания.

Приведенная типология методов распознавания с той или иной степепью детализации встречается во многих работах по распознаванию. В то же время известпые типологии не учитывают одну очень существенную характеристику, которая отражает специфику способа представления знаний о предметпой об ласти с помощью какого-либо формальпого алгоритма распозиавания образов.

На протяжении многих лет использования методов распознавания были проведены разнообразные классификации этих методов по различным критери ям. в диссертации приведена классификация, в основе которой лежат следую щие принципы:

• однородность информации для описания распознаваемых объектов или явлений.

• способ получения апостериорной информации.

• количество нервоначальной априорной информации.

• характер информации о призпаках распознавания.

По однородности информации методы распознавания делятся на простые, которые характеризуются едипой физической природой признаков и сложные, которые определены физической неоднородностью признаков.

По количеству первоначальной априорной информации методы распозна вания делятся на:

• системы без обучения, для них необходимо располагать полной пер воначальной априорной информацией;

• обучающиеся характерны тем, что априорпой информации не хватает для описания распознаваемых классов на языке признаков • самообучающиеся системы, для которых характерна недостаточность информации для формирования не только описаний классов, но даже алфавита классов.

По характеру информации о признаках распозпавания методы распозна вания подразделяются на:

1) Детерминированные: а) Метод рещения задачи раснознавания: исполь зование геометрических мер близости;

б) Метод априорного описания классов:

координаты векторов-эталонов по каждому из классов или координаты всех объектов, принадлежащих классам (наборы эталонов по каждому классу).

2) Вероятпостные: а) Метод рещения задачи распознавания: вероятност ный, основанный на вероятностной мере близости (средний риск);

б) Метод ап риорного описания классов: вероятностные зависимости между признаками и классами.

3) Логические: а) Метод рещения задачи распознавания: логический, ос нованный на дискретном анализе и исчислении высказываний;

б) Метод априор ного описания классов: логические связи, выражаемые через систему булевых уравнений, где признаки - переменные, классы - неизвестные величины.

4) Структурные (лингвистические): а) Метод решения задачи раснознава ния: грамматический разбор предложения, онисывающего объект на языке не производных структурных элементов с целью определения его правильности;

б) Метод априорного описания классов: подмножества предложений, описываю щих объекты каждого класса.

5) Комбипированные: а) Метод решения задачи распозпавания: специаль ные методы вычисления оценок;

б) Метод априорного описания классов: таб личный, предполагающий использование таблиц, содержащих классифициро ванные объекты и их признаки (детерминированные, вероятностные, логиче ские).

В целом рассмотренная классификация методов раснознавания может быть представлена следующей схемой (рис.2.6.).

Методы распознавания по однородности по количеству первоначаль ной информации Логические Структурные Вероятностные Детерминированные no характеру информации о.

признаках Комбинированные Рис.2.6.

представление пространственных данных возможно в виде объектов и их признаков, что дает возможность нредложить следующую классификацию мето дов распознавания:

• методы, основанные на операциях с признаками, • методы, основанные на операциях с объектами.

Методы, основанные на операциях с признаками («признаковые») Отличительной особенностью данных методов является то, что в качестве элементов операций при построении и применении алгоритмов распознавания образов они используют различные характеристики признаков и их связей. Та кими элементами могут быть отдельные значения или интервалы значений при знаков, средние величины и дисперсии, матрицы связей признаков и т. п., над которыми производятся действия, выражаемые в аналитической или конструк тивной форме. При этом объекты в данных методах не рассматриваются как це лостные информационные единицы, а выступают в роли индикаторов для оцен ки взаимодействия и поведения своих атрибутов.

Группа «нризнаковых» методов распознавания образов обширна, и ее де ление на подклассы носит в определенной мере условный характер:

• Методы, основанные на оценках плотностей распределения значе ний признаков;

• Методы, основанные на предположениях о классе решающих функ ций;

• Логические методы;

• Лингвистические (структурные) методы.

Методы, основанные на операциях с объектами («объектные») В методах данной группы, в отличие от «признаковых», каждому изучае мому объекту в большей или меньшей мере придается самостоятельное диагно стическое значение.

Основными операциями в распознавании образов с помощью обсуждае мых методов являются операции определепия сходства и различия объектов:

• Метод сравнения с прототипом;

• Метод к-ближайших соседей;

• Алгоритмы вычисления оцеиок («голосования»).

В результате сравнения неречисленных методов сделан вывод, что для решения реальных задач из групны методов, основанных на описании призна ков, нрактическую ценность представляют параметрические методы и методы, основанные на предложениях о виде решающих функций. Эффективное исполь зование методов раснознавания, основанных на описании объектов, зависит от того, насколько удачно определены указанные меры сходства или близости, В некоторых нрикладных задачах принадлежность к определенным клас сам элементов обучающего множества неизвестна. В таких случаях можно обра титься к методам распознавания образов, называющимся распознаванием без учителя. Как указывалось ранее, распознавание по схеме «обучение с учителем»

характеризуется тем, что известна нравильная классификация каждого обучаю щего образа. В случае «обучения без учителя» требуется, однако, конкретно изу чить классы образов, которые имеются в данной информации.

Важно ясно представлять себе, что обучение нроисходит только на этапе построения (или коррекции в связи с поступлением новой информации) системы распознавания. Как только система, работая с обучающим множеством образов, добивается приемлемых результатов, ей предлагается реальная задача распозна вания пробных объектов, взятых из той среды, в которой системе предстоит ра ботать. Естественно, качество раснознавания будет в существенной стенени оп ределяться тем, насколько хорошо обучающие образы представляют реальные данные, с которыми система будет сталкиваться в процессе нормальной экс плуатации.

В результате сравнения перечислепных методов сделан вывод, что для решения реальных задач из грунпы методов, основанных на описании призна ков, практическую ценность представляют параметрические методы и методы, осповаппые на предложениях о виде решающих функций. Эффективное исполь зование методов распознавания, основанных на описании объектов, зависит от того, насколько удачно определены указанные меры сходства или близости.

С формальных позиций, задачи распознавания могут быть интерпретированы, как операции выделения, разделения, установление строго порядка па мпожестве объектов, В свопх псследовапиях автор опирался на известпые работы Ю.А. Воропипа, Е.Н. Черемисипой и сотрудппков лаборатории геоинформатики ВНИИГеосистем. В работах этих учепых, компьютерная технология распознавания образов определяет процесс распознавания как организацию образов и ностроение решающего правила для распозпавания.

Среди факторов повышения эффективпости решения задач на основе ап парата распозпавания главным является улучшение априорных данных в мате риале распознавания. В работе уже отмечалась необходимость разработки онто логии — систематизированного извлечения знаний о предметной области задачи и анализа априорпой информации. В этой связи предлагается алгоритм органи зации образов в исходном материале обучения А^ для дальнейшего распознава ния объектов материала экзамена А^.

Пусть Ao{a,,FQ,0o}- материал обучения - совокупность объектов {а,}, ко торых измерены косвенные свойства {FO}H нрямые свойства {Фц}. Тогда A^{aj,F^\ - материал экзамена - совокунность объектов {Oj}, на которых изме рены только косвенные свойства. Объекты представляются косвепными свойст вами, которые описывают сами объекты, и прямыми свойствами, которые ука зывают па принадлежность объекта к тому или иному образу. Образ в данном случае - это совокупность объектов, объедипенных общими свойствами. По строение алгоритма разбиения AQ на образы Ад"" при фиксированных FQ, Ф^ на зывается организацией образов.

В данной работе предлагается формализация знаний эксперта об исходпых данных предметной задачи, когда представленный материал обучения ненолон.

Для дополнения и улучшения материала обучения предлагается построение экс тремальных объектов. Экстремальные объекты а" - это объекты, мера сходства ;

/(а*,а^)между которыми равна нулю. Эти объекты должны легко распознавать ся, так как находятся в вершинах пространства косвенных свойств. Рассмотрим случай, когда даны два образа, объекты которых описаны двумя косвенными свойствами /„' и /^ (рис.2.7.).

объекты 25 30 35 Рис.2.7. Экстремальные объекты.

Объект а\ -экстремальный объект 1-го образа, объект а\ -экстремаль ный объект 2-го образа, мера сходства между ними равна нулю -;

/{а![,а^ }= О.

На основе пары экстремальпых объектов {а![,а^} моделируются к новых пар экстремальных объектов на основе комбинаторного анализа перестановкой экстремальных значений косвенных свойств. Экстремальные косвенные свойст ва - минимальные и максимальные значения косвенных свойств экстремальных объектов (рис.2.8.).

ара новых экстремальных объ Рис.2,8. Моделирование экстремальных объектов.

Смоделированные таким образом нары противоположных экстремальных объектов {о',,а^,/ПОЗВОЛЯЮТ дополнить и улучшить исходный материал, облег чить процесс построения решающего правила для отнесения объектов материа ла экзамена {а^} к образам и оценить степень сложности отнесения к образу.

в простейшем случае, когда для распознавания смоделирована одна пара экстремальных объектов, решающее правило строится следующим образом: ес ли ^{al^;

aj}^{al;

aj}, где ju - мера сходства экстремального объекта 1-го об раза и объекта материала экзамена, то Oj е 1-му образу, если //{а![ ;

а^}//{а^ ;

а[^.}, где // - мера сходства экстремального объекта 2-го образа и объекта материала экзамена, то Oj е2-му образу. Степень сложности отнесения к образу равна S[aj) = —^ ^i, iS'(fl^)0 и объясняется следующим образом: если значение f' s[aj)\, то объект проще отнести к 1-му образу, если значение s{aj)l, то объ ект проще отнести ко 2-му образу. На основе этого показателя можпо ранжиро вать объекты по степени сложности отнесения их к образу.

В случае, когда не выполняется ни одно из условий, объект не распозпает ся. Автором отмечается необходимость анализа множества экстремальных объ ектов на предмет допустимости их значений в конкретной предметной задаче.

Основные выводы, полученные во второй главе, сформулированы сле дующим образом.

При обучении специалистов различных направлений важно иснользовать проблемно-задачный подход - обучать на основе задач, связанных со специальностью обучаемых, что позволяет демонстрировать актуальность изученного материала в будущей профессиональпой деятельности и нотому имеет огромное значение для образовательного процесса.

В работе предлагается общая схема постановки и решения предметных задач, которая была получена на основе модификации традиционной схемы нрогнозно-поисковых исследований. Новая схема получена дополнением к тра диционной схеме этапов разработки онтологии и анализа;

анализа, оценки и ин терпретации результатов.

Разработанная технология декомпозиции является унифицированным ме тодом сведения предметных задач к набору формальных онераций, которые со держат собственные алгоритмы и средства реализации и являются основой для синтеза новых задач различного уровня сложности.

Предлагаемый алгоритм моделирования экстремальных объектов позво ляет дополнять и улучшать эталонный материал, что повышает эффективность и надежность.

Глава 3. Концепция построения информационпой среды использова ПИЯ ГИС-техпологий для подготовки специалистов различпых паправле ний в рамках пепрерывпого образовапия Сушествуют оценки, по которым в ближайшие 10 лет почти 90 % органи заций в экономически развитых странах будут использовать в своей деятельно сти Интернет-технологии и сетевые формы управления.

Появляется новый фактор социально-экономического неравенства: те, кто имеют лучший доступ к сети и лучше адаптировапы к ее особенностям, будут иметь нреимушества перед остальными. Поэтому одпим из наиболее важных ас пектов деятельности инженеров XXI века становятся навыки работы в рамках виртуальных предприятий и электропных конструкторских бюро, которые стро ятся на базе информационного нространства, а не но территориальному принци пу. С ноявлением информационных технологий (ИТ) формируется глобальная международная образовательная среда, главным двигателем развития которой является индустрия ИТ. Для ответа на указанные вызовы XXI века система выс шего профессиопального образования и, в нервую очередь, инженерного образо вания должны реформировать содержание и технологии подготовки с учетом перспективных технологических укладов экономики.

Прежде всего, необходимо резко усилить образовательный процесс элек тронными технологиями на всех стадиях подготовки специалистов, которые по зволяют производить моделирование и проектирование процессов и устройств.

Большое внимание следует уделить системному нодходу при разработке учеб ных проектов, взаимосвязи этапов проектирования изделия, формированию профессиональных павыков и умений в области сетевых технологий, включая международное сотрудничество для всех направлений подготовки в области техники и технологий. Исходя из вышеизложенного, следует сформировать об разовательную среду вуза, представляющую собой совокуппость взаимосвязан ных обших нринципов и концепций, стандартов и нравил, теоретических нова ций, определяющих в целом не толь ко функционирование, но и развитие обра зовательных структур в масштабе вуза.

3.1. Основные требовання к ностроению информационной среды ис нользования ГИС-технологий в образовании Построение информационной среды использования ГИС-технологий в образовании предназначено для подготовки специалистов различных направлений на основе коллекции предметных задач в рамках непрерывного образования: среднее, высшее, дополнительное. Цель создания такой среды предоставление инструментария для решения предметных задач. Использование ГИС-технологий в подготовке специалистов различных направлений позволяет более эффективно осваивать различные учебные дисцинлины.

В работе информационная среда (ИС) использования ГИС-технологий в образовании определена как информационная система, объединяющей про граммные и технические средства, организационное, методическое и математическое обеспечепие, предназначенное для повышения эффективности и доступности образовательного процесса подготовки специалистов различных направлений.

В работе информационная среда (ИС) использования ГИС-технологий в образовании определена как информационная система, объединяющей про граммные и технические средства, организационное, методическое и математическое обеспечение, предназначенное для повышения эффективности и доступгюсти образовательного процесса подготовки специалистов различных направлений.

Анализ достоинств и недостатков, существующих ИС, дидактических тра диций российской системы образования, а также современного состояния ин формационных технологий и средств телекоммуникаций, позволили сформули ровать следующие принципы, на которых строится ИС:

• Многокомпонентность— информационная среда представляет со бой многокомпонентную среду, включающую в себя учебно-методические мате риалы, наукоемкое программное обеспечение, тренинговые системы, системы кошроля знаний, технические средства, базы данных и информационно справочные системы, хранилища информации любого вида, включая графику, видео и пр., взаимосвязанные между собой.

• Интегральность — информационная компонента ИС должна вклю чает в себя всю необходимую совокупность базовых знаний в предметных об ластях с выходом на мировые ресурсы, определяемых профилями подготовки специалистов, учитывать междисциплинарные связи, информационно снравочную базу дополнительных учебных материалов, детализирующих и углубляющих знания.

• Распределенность— информационная компонента ИС онтималь ным образом распределена но хранилищам информации (серверам) с учетом требований и ограничений совремепных технических средств и экономической эффективности.

• Адаптивность — ипформационная среда должна не отторгаться существующей системой образования, не нарушать ее структуры и нринцинов построения, также должна позволить гибко модифицировать информационное ядро ИС, адекватно отражая потребности общества.

Сформулированные припципы построения ИС делают необходимым рас смотрение ее, с одной стороны, как части традиционной образовательной систе мы, а, с другой стороны, как самостоятельной системы, направленной на развитие активной творческой деятельности обучающихся с применением но вых информационных технологий.

Разработанные во второй главе научно-методические положения общей схемы постановки и решения нредметных задач, технологии декомнозиции нредметных задач, методов реализации формальных онераций нозволили сформировать требования к построению ИС использовапия ГИС в подготовке специалистов:

• обеспечение нроцесса обучения специалистов на всех этапах ненрерывного образования;

иметь доступ к исходпым данным различного рода;

• обеспечение реализации задачного подхода в обучении на основе коллекции предметных задач;

• обеспечение методической и справочно-информационпой поддержки образовательного процесса;

• осуществление технологической реализации формальных онераций на основе соответствующего нрограммно-апнаратного обеснечения;

• обеснечение интеграции нрограммно-аннаратных, методических, технологических и информационных ресурсов, взаимосвязанных между собой единым интерфейсом.

На основе сформулированных требований онределена структура информационной среды обучения ГИС-технологиям, которая в отличие от известных подходов содержит методический модуль, представляющий дисциплины соответствующих специальностей, оговоренных Государственным образовательным стандартом. Специальность, по которой проводится обучение, является тем информационно-образовательным продуктом, который востребован обществом. Кроме методического модуля в ИС входят информационно справочная база, интерактивные компоненты ноддержки учебного процесса, базы данных и база знаний, функциональный и аналитический модули, средства достуна к локальным и глобальным сетевым ресурсам, ГИС-модуль, а также блок сонровождения и администрирования учебного процесса.

На рис.3.1. представлена структура модулей информационной среды использования ГИС-технологий в образовании.

Базы данных обеспечивают храпение картографической, фактографической информации, аэрофотоснимков, космоснимков, материалов наземных наблюдений, промежуточных результатов рещения предметных задач, а также информацию о пользователях ИС. Реализация базы данных и созданного на ее основе Web-сайта должна обеспечивать пользователю быстрый и естественный поиск требуемых ресурсов при подготовке к занятиям, а также онеративный и надежный доступ к отобранным ресурсам непосредственно в нроцессе урока. Для этого описание любого образовательного ресурса будет включать в себя такие формальные характеристики, которые позволят «привязать» этот ресурс к конкретпым разделам текущего учебного плана.

Единая информационно-ресурсная система профессионального обучения Московской об Единая информационно ласти образовательная сеть г.Дубна Методиче Справочно Локальная сеть информаци ский онный МО модуль Функциональный модуль Поль Интерфейс (программно-технологическая надстройка информационной зова среды) тель ГИС-модуль Аналитический модуль Программы об Векторизато- Пакеты обра ГИС прило Экспертные работки про- ботки непро жения странственно- системы странствен временных дан- ных данных ных Рис.3.1. Структура ИС использования ГИС в образовании.

На основе анализа учебных программ, планов, имеющейся учебной и методической литературы создается структура предметно-ориентированиых образовательных ресурсов, которая реализуется программно в виде базы данных, наполняемой информационными ресурсами, которые нредоставляют преподавателю мощные средства для формирования сценария урока, а обучающемуся - для самостоятельной работы. При этом все желающие нолучают новые щирокие возможности для самообразования.

Согласно классическому определепию, база данных - это упорядоченная совокупность информации, хранящейся в виде множеств, каждое из которых содержит записи унифицированного вида. Системы управления базами данных (СУБД) предоставляют программисту мощиейший инструментарий для создания, обновления и обработки больщих объемов информации, имеющей сложную структуру.

в классической теории выделяют три типа, три структуры баз даиных:

иерархическую, сетевую и реляционную. В настоящее время доминирующее положение занимают реляционные базы данных.

Любая ГИС работает с базами данных двух типов - графическими и атри бутивными или тематическими.

Оба вида баз представляют собой файлы (наборы) цифровых данных. Для работы с ними ГИС должна иметь систему управления базами данных (СУБД).

Достаточно часто ГИС имеет две системы управления базами данных, отдельно для метрической и атрибутивной информации. При помощи СУБД производится поиск, сортировка, добавление и исправление информации в базах данных.

В графических базах данных хранится то, что принято называть графиче ской или метрической основой, атрибутивные, содержат в себе так называемую нагрузку карты и донолнительные данные, которые относятся к пространствен ным, но не могут быть прямо занесены на карту - это описания территорий или информация, содержащаяся в отчетах.

Лидером среди баз данных, применяемых для разработки WEB приложений, на сегоднящний день, безусловно, является MySQL. Главное дос тоинство MySQL (плавно переходящее в недостаток:) - ее простота. Как следст вие - высочайшая скорость выполнения SQL-запросов и необходимость явного нрограммирования основных правил поддержания целостности и непротиворе чивости данных на уровне сервера приложений.

Среди других баз данных, применяемых для WEB-разработок, отметим Oracle и PostgreSQL. PostgreSQL - свободпо распространяемая СУБД с откры тым исходным кодом, ориентированная главным образом на работу в UNIX подобных системах. Oracle - явный лидер рынка мощных коммерческих, корно ративных баз данных в последнее время все активнее заявляет о себе и во все мирной сети.

Методический модуль обеспечивает организацию образовательного про цесса, формирование учебных программ, планов занятий, практических задания согласно уровню и направлению подготовки, осуществление контроля выполпе ния заданий, анализ и оценку полученных результатов для отслеживания успе ваемости обучающегося. Методический модуль представляет собой большой ги пертекстовый документ, связывающий в единое целое основную информацию по отдельным дисциплинам. Это могут быть:

• образовательный стандарт, включающий все предусмотренные дис циплины — для подготовки специалистов с высшим образованием;

• комплекс специальных и общеинженерных дисциплин — для полу чения второго высшего образования;

• комплекс дисциплин, составляющих единое информационное по ле— для проведения курсовой подготовки, повышения квалификации и переподготовки специалистов;

• отдельные дисциплины — для самостоятельной подготовки.

• В этом модуле размещены различные учебно-методические мате риалы, учебные пособия, практические задания по дисциплинам, коптрольные работы, указания для выполпения практических заданий, а также - вопросы для контроля и подготовки к экзамену, основные требования к оформлению и со держанию контрольных работ и др.,- необходимое студентам в учёбе. Каждая дисциплина, входящая в методический модуль разрабатывается на основе соот ветствующих лекционных курсов.

Справочно-информационный модуль обеспечивает доступ к справоч ным материалам, электронным библиотекам, другим учебно-методическим ин формационным ресурсам. Справочно-информационное обеспечение включает в себя следующие разделы:

• справочник по ГИС технологиям и сопряженным с ними областям;

• стандарты, термины и определения по дисциплинам снециальности;

• глоссарий: русский глоссарий;

англо-русский словарь;

глоссарий аббревиатур с расшифровкой на языке оригинала и с переводом;

• фирмы, продукция которых может служить примером технических решений, изучаемых в лекционных курсах: наименование, почтовый адрес, Е mail, URL, характеристика продукции;

• оборудование, используемое в изучаемых технологических процес сах: название оборудования, назначение оборудования, краткая характеристика, фирма — изготовитель, ее электронные адреса, в том числе URL;

• библиотека рекомендуемой литературы (книги статьи;

каталоги, методическая литература) либо в полнотекстовом варианте, либо в виде библио графических данных;

• персоналии: исторические личности в развитии науки и техники;

• законы Российской Федерации, необходимые для изучения дисцип лин специальности.

Интернет обеспечивает доступ к мировым информационным ресурсам, городским и региональным информационно-образовательным системам, предос тавляя возможность обмена данными, размещение результатов исследований и решений задач. По доступу к ресурсу можно выделить: сайты, предоставляющие открытый доступ к ресурсу (не требует регистрации);


сайты, предоставляющие доступ к ресурсу через регистрацию;

сайты, предоставляющие частичный дос туп к ресурсу (отдельные комноненты ресурса нредоставляются пользователю без регистрации на сайте, а другие компонепты — после регистрации в конкрет ном разделе сайта). По типам образовательных web-сайтов можно выделить:

1. Ресурс, доступный на сайтах дистанционного обучения. К такому типу относятся сайты, содержащие электронные курсы лекций, лабораторные практикумы, электронные задачники, электронные учебники;

сайты, предназна ченные для тестирования, оценки знаний;

сайты центров дистанционного обуче ния и центров тестирования.

2. Ресурс, доступный на сайтах исследовательской деятельности. К такому тину относятся сайты, содержащие исследовательские работы учащихся, студентов и др.;

научные лаборатории;

творческие мастерские;

сайты научно исследовательских и учебных центров.

3. Ресурс, доступпый на сайтах консультативного назначения. К тако му типу 0 1 С Т Я консультативные сайты но общеобразовательным предметам.

ТЮ Я С 4. Ресурс, доступный на сайтах «виртуальных» методических объеди нений. К такому типу относятся сайты методических объединений учителей по школьным предметам;

сайты, предназначенные для тематических телеконфе ренций и чатов по вопросам образования;

сайты, нредназначенные для творче ского взаимодействия преподавателей, в сети;

сайты, предназначенные для по вышения квалификации педагогических кадров.

5. Ресурс, доступный на сайтах образовательных Intemet-проектов. К такому типу относятся сайты, проводящие телекоммуникационные олимпиады и викторины;

предназначенные для проведения образовательных конкурсов;

сай ты, осуществляющие информационно-развлекательные нроекты образователь ной тематики;

сайты, предназначенные для формирования связей между участ никами образовательного нроцесса.

6. Ресурс, доступный на сайтах учебных заведений. К такому типу от носятся: школьные сайты, сайты факультетов вузов, сайты высших учебных за ведений.

7. Ресурс, доступный на сайтах культурной и образовательной инфор мации. К такому типу относятся: виртуальные библиотеки, сайты библиотек, виртуальные журналы и газеты образовательной тематики, сайты образователь ных газет и журналов, виртуальные музеи, сайты музеев, виртуальные клубы (кафе).

8. Ресурс, доступный на сайтах справочного характера категории «Образование». К такому типу относятся: электронные эгщиклопедии, сайты словари, электронные справочники, сайты-каталоги, базы данных, сайты, содер жащие справочную информацию о проводимых конференциях и т.п.

Локальная сеть обеспечивает доступ к подразделениям образовательного учреждения: кафедрам, лабораториям, научно-исследовательским центрам и др., что предоставляет возможность обмена информационными, учебно методическими и другими образовательпыми ресурсами. Локальная компьютерпая сеть поддерживает в пределах образовательного учреждения один или несколько высокоскоростных каналов передачи информации, предоставляемых подключаемым устройствам для кратковременного монопольного использования;

совокупность взаимодействующих рабочих станций в учебных компьютерных классах.

База знаний определяется онтологией предметной области и содержит попятийный аппарат, описание формализованных категорий и нримеры пред метных задач, которые отражают наиболее актуальные совреме1Н1ые задачи раз личных нредметных областей (экология, геофизика, природопользование, управление, информационные системы и технологии и др.). База знаний содер жит коллекцию предметных задач. Формирование этой коллекции основывается на принципах:

• предметности, т.е. при обучении студентов отбираются в нервую очередь задачи из предметной области, в которой они специализируются, или из смежных, близких данной предметной, областей;

• актуальности конкретных задач в настоящее время;

• эффективности, т.е. применение геоинформационных технологий при решении этих задач должно обеснечивать существенную экономию време ни, повышать точность и оперативность припятия решений, создавать припци пиальную возможность решения задачи и т.п.;

• многофункциональности, т.е. различные компоненты задачи в большей или меньшей степени должны быть актуальны в различных дисципли пах, при этом они вынолняют различные функции: формулирования предметной задачи, постановки предметной задачи, требования к характеру и качеству ис ходных данных, возможность и адекватность использования различных нриемов, методов и алгоритмов предметной области и т.д. В одних предметах задача мо жет играть роль иллюстративную, для других — создавать среду для нрактиче ских или лабораторных занятий;

• наглядности представления промежуточных и итоговых результа тов.

Функциональный модуль обеспечивает взаимодействие пользователей и модулей ИС посредством интерфейса, реализует технологию декомнозиции предметных задач. Этот модуль необходим для регистрации пользователей и предоставления им доступа к клиентскому интерфейсу, в котором располагается информация для закрытого круга нользователей. Возможности модуля включа ют поиск информации по разделам информационной среды, обеспечение обрат ной связи, проведение опросов, ведение баз данных пользователей всех катего рий. Также, функциональный модуль осуществляет:

• управление правами доступа различных категорий пользователей, управление регистрационной формой, каталогом ролей, реестром нользователей, каталогом групп пользователей;

• формирование групповых/индивидуальных учебных про грамм/планов, управление заявками на обучепие, управление доступом к обуче нию на основе тестирования начальных знаний;

• комплексную подачу учебных материалов обучающимся;

• проверку знаний обучающихся в целях самоконтроля и контроля со стороны организаторов учебного процесса;

• предоставление возможности выработки практических навыков ра боты с программно-аппаратными комплексами в режиме эмуляции пользова тельского интерфейса;

• нредоставление возможности выработки практических навыков ра боты путем удаленного доступа к программно-аппаратпым комплексам;

• управление каталогом курсов, версиями курсов, внещними ресур сами, режимами обучения и методиками создания курсов;

• организацию взаимодействия участников образовательного процес са в асипхронном (электронная почта) и синхронном (текстовая конференция) режимах;

• предоставление доступа к журналу регистрации событий и журналу пользователей on-line, а также доступа к функциям удаления объектов системы.

ГИС-модуль реализует выполнение набора формальных операций на ос нове ГИС технологий, включает различные ГИС приложения, векторизаторы, инструментарий анализа пространственно-временных данных, ГИС модуль ин формационной среды нозволяет эффективно управлять объектами, разнесенны ми в прострапстве. Компоненты ГИС-модуля нредставлены на рис,3,2. При этом с номощью ГИС решаются как стандартные геоинформационные задачи (напри мер, создание и обслуживание электронных карт).

Программное обеспечение содержит коммерческие пакеты ГИС ряда фирм: GIS ArcView. Maplnfo, ИНТЕГРО, GreenView. Популярность Arcview и Maplnfo, обусловлена тем, что данные пакеты являются готовым набором средств для создания широкого спектра карт различного назначения, ГИС ИН ТЕГРО, в отличие от большинства иностранных аналогов, ориентирована на персональную технику, что делает ее во много раз дешевле и доступнее для пользователя, даже не специализируюшегося в программировании.

Кафедры, ИНТЕРНЕТ подразделения Обработка данных Векторные и растровые цифровые карты Создание Операции извлечения прикладных Построение б.д.

пространств, данных Фаитографиче моделей картографической и для решения представления ские сведения атрибзггивной предметных задач данных дзз информации Выборка инф ормации из цифровых картографических материалов Манипулирование с Коллекция объекгами и слоями предметно элекгронных карт ориентир ованньк задач дифференциального Реализация основньк Оцифровка, редактирование, типа режимов работы ГИС преобразование растровых данных в векторные Работа с мсделямц выбор слоев, корректировка.

Рис,3.2, Функциональная схема ГИС модуля информационной среды использо вания ГИС в обучении специалистов различных направлений.

Векторизаторы: EasyTrace, Adobe Streamline, CorelDraw. Программы для принятия и обработки ДДЗ: ScanReceiver, Scan Viewer, ScanMagic.

Аналитический модуль обеспечивает реализацию формальных операций на основе различных методов и алгоритмов анализа и обработки данных, распо знавания образов, интегрированного анализа разноуровневых данных. Про граммное обеспечение модуля включает различные компьютерные программы для обработки статистических данных, нроведения анализа и прогноза. Про граммно-технологические средства данного модуля на основе широкого набора алгоритмов аналитической обработки, статистического анализа, раснознавания образов и таксономии обеспечивают:

• предварительную и специальную обработку данных дистанционно го зондирования;

• обработку и комплексную интерпретацию геолого-геофизических данных;

• интегрированный анализ геоданных с целью реализации оптималь пого способа решения задачи.

Данный модуль обладает широким набор методов анализа данных, таксо номии, распознавания образов, статистического анализа, которые позволяют решать следующие задачи.' • Расчет прогнозных характеристик, • Анализ геоданных, • Выбор оптимального метода решения, • Комплексное решение задач районирования, распознавания, упоря дочения геологических объектов.

В структуре информационной среды использования ГИС технологий в об разовании важным элементом является возможность выбора обучаемым средств, места и времени обучения, соответствующих его запросам. Это подразумевает паличие альтернативных учебных пособий и прикладного программного обеспе чепия, причем они должны быть согласованными по терминологии, системам обозначений, интерфейсам для создания нужных комбинаций учебных средств.


Разработанная автором структура информационной среды позволяет воз можность интеграции информационных, методических, программно-аппаратных и других образовательных ресурсов в единое образовательное пространство об разовательного учреждения, имеющего доступ к региональным и мировым ком пьютерным сетям.

3.2. Интерфейс информационной среды использования ГИС технологий в образовании В информационной среде интерфейс содержит нолный спектр средств взаимодействия между пользователем и компьютером, В этот термин включает ся аппаратное и программное обеспечение компьютера, дающее информацию пользователю и позволяющее ему работать с компьютером.

К аппаратному обеспечению компьютерного интерфейса относятся кла виатура, манипулятор типа мыши, джойстика или трекбола, системный блок, монитор. Программное обеспечение пользовательского иптерфейса содержит все, что помогает пользователю видеть, слышать, отмечать, трогать на экрапе компьютера, а также информацию, с которой пользователь работает. Кроме того, в интерфейсе есть печатная и электронная информация, справочпики, руково дства, учебники и много другой документации, дополняющей программпое и аппаратное обеспечение. Это делает взаимодействие с программными и аппа ратными средствами интерфейса более удобным и позволяет человеку общаться с компьютером, а компьютеру представлять информацию пользователю.

Различают три основные концептуальпые модели пользовательского ин терфейса: пользовательская модель, модель программиста и модель проекти ровщика. Модель отражает ожидания человека, работающего с компьютером, и тот опыт, который он получает в результате работы. В основе модели лежат все взаимоотношения между пользователями и их компьютерами, поэтому она явля ется фундаментом для выработки принцинов и правил пользовательского ин терфейса.

Дизайн пользовательского иптерфейса должен быть одобрен и принят его пользователями. Для обучающих систем дизайн играет особую роль, т.к. в таких системах пафузка на дизайн возрастает необходимо обеспечить не только удоб ство работы с программой и приятный впешний вид, но и эффективное усвоение учебного материала, т.е. дизайн должен быть спроектирован таким образом, чтобы соответствовать учебному содержанию курса дистанционного обучения.

Приведенные во второй главе требования и структура информационной среды определяют припципы построения пользовательского интерфейса, кото рый должен наглядно и понятно отражать все модули среды, их информацион ное наполнение, обеспечивать быстрый и логичный переход к другим модулям.

Иптерфейс должен обеспечивать широкий и качественный доступ к имеющимся информационным и образовательным ресурсам;

обеснечивать доступ к локаль ной сети образовательного учреждения, городской сети и региональной образо вательной сети.

В связи с этим, разработаны рекомендации для разработки пользователь ского интерфейса, которые формулируются следующим образом:

1. Контроль пользователем иптерфейса. Пользователь должен иметь воз можность свободно ориентироваться в интерфейсе, двигаться вперед и назад, по нисходящей и восходящей структурам интерфейса с удобными контекстными подсказками. Проектирование интерфейса должно учитывать различный уро вень подготовки пользователя, помогать выбрать уровень сложности взаимодей ствия, иметь альтернативные способы выполнения различных действий в про грамме. Пользовательский интерфейс должен быть «прозрачным» - пользовате ли его не должны замечать. Работа в программе должна быть похожа на работу с объектами реального мира. Пользователь должен быть сосредоточен непосред ственно на выполнении задач, стоящих перед ним, а не разбираться в функциях информационной среды.

2. Уменьшение нагрузки на память пользователя. Пеобходимо учитывать механизмы запоминания и хранения информации человеком и обеспечивать та кой интерфейс в программе, который бы защищал память пользователя от из лишней загруженности;

3. Последовательность нользовательского интерфейса — пользователи должпы иметь опорные точки при перемещении в интерфейсе — это заголовки окон, навигационные карты и древовидные структуры. Совместимость - ключе вой аспект для использования интерфейса. Интерфейс должен быть дружествен ным, поощряющим пользователя исследовать его составляющие и свойства без страха сделать что-либо неправильно. Наличие в среде развитой навигации об легчает процесс обучепия, поскольку при визуальной навигационной системе не нужно помнить контекст своих действий (как я сюда попал? что я хотел сде лать?), поскольку этот контекст сам по себе показывается па экрапе. Любая сис тема павигации обязапа выполпять песколько фупкций, а имеппо показывать пользователям:

Где опи паходятся сейчас.

Куда они вообще могут переместиться.

Где опи уже побывали.

Куда им разумно пойти.

С какого имепно экрана (страницы) они пришли.

Итак, определен набор рекомендаций по разработке удобного и эффек тивного пользовательского интерфейса и навигации но информационной среде.

Разработчику необходимо найти компромисс между требованиями к интерфейсу и функциональности информационной среды. Главное, чтобы интерфейс и нави гация разрабатывались с точки зрения удобства пользователя, а не разработчика.

В диссертации разработана структура пользовательского интерфейса, ко торый состоит из административного и функционального блоков (рис.3.4.).

Административный блок Web-интерфейс информационной среды обесне чивает:

• регистрацию, отслеживание и протоколирование действий пользователей;

• полную информационную поддержку всех элементов учебного процесса (учебно-методические материалы, храпилище учебных планов дисциплин, рас нисание занятий, журнал успеваемости и др.);

• доступ и отображение информации базы даппых и базы знаний (коллекция нредметных задач);

• электронное общение всех участников образовательного нроцесса (доска объявлений, новости, форумы и опросы) как в рамках локальпой сети, так и че рез Интернет;

доступ к городским и региональным информационно образовательным сетям.

Административный блок Функциональный блок нерсонализация обеспечение доступа к модулям определение прав доступа Внутренние модули Внешние модули Технолог Обучающий Справочно Функциональный модуль информационный мо Обучающийся Методический модуль дуль Базы данных и знаний Гость Интернет ГИС модуль Доступ к городским и Аналитический модуль региональным образо Рис.3. вательным сетям В работе реализован административный блок, который поддерживает Web-интерфейс ИС. Предлагаемая структура интерфейса является универсаль ной и может быть адаптирована для любого образовательного учреждения.

Главная страница интерфейса отображена на рис.3,4.

Информационная среда использования ГИС в подготовке специалистов Главная Регистрация 0 проекте Losin Passw.

Обучающие Обучающиеся Отображение текущей Информация 0 ВУЗе информации выбран- Руководство ВУЗа Расписание занятий ного раздела Подразделения ВУЗа Журнал успеваемости Городская образователь Дисциплины НЯЯ СРТк Учебно-методические Региональная информа материалы ционно-образовательная Коллекция задач сеть Справочные материалы Электр, библиотеки Новости Опросы Форумы Доска объявлений Ссылки Рис,3,4, Основные разделы структуры Web-интерфейса информационной среды (главная страница).

Структура разделов Web-интерфейса главной страницы информационной среды:

Главная {осуществляет возврат с любого уровня интерфейса на первую страницу} Об информационной среде ГИС {информация о норядке обучения на ос нове информационной среды иснользования ГИС в образовании} Нанравления деятельности {перечислены основные области и нанравле ния иснользования ГИС в обучении специалистов различных нанравлений} • ГИС технологии • 3D моделирование • Данные дистанционного зондирования • Экспертные системы Обучающие {описывает категорию нользователей, имеющих расщирен ные возможности достуна, содержит форму регистрации} • Учителя • Преподаватели Обучающиеся {описывает категорию пользователей, имеющих ограни ченные возможности доступа, содержит форму регистрации} • Школьники • Студенты • Специалисты Расписание занятий {содержит информацию о расписании по группам (классам), направлениям и потокам} • Школьное раснисание • Университетское расписание (очное/заочное) • Курсы повышения квалификации • Научно-практические семипары • Конференции Нормативно-образовательная база {обеспечение различными норматив ными материалами в области образования} • Образовательные стандарты • Программы учебных дисциплин • Требования и инструкции Методические материалы {обеснечение учебно-методическими материа лами} • Планы занятий • Лекции • Методические нособия Коллекция предметных задач {содержит различные предметные задачи для разных направлений и этапов обучения} • База данных задач • База знаний задач Полезная информация {для обеспечения дополнительной полезной ин формацией, ссылками на информационно-образовательные ресурсы} • Статьи, нубликации • Ссылки • Электронные библиотеки Форумы {возможность обсуждения какой-либо темы} Доска объявлений {возможность обмена сообщениями между нользовате лями} Ссылки {приведены ссылки на различные интернет-ресурсы} Регистрация {заполнение формы для регистрации в информационной сре де} • Логин • Пароль • Зарегистрироваться Международный университет «Дубна» {информация об учебных заведе ниях} Единая информационно-образовательная сеть г.Дубна {обеспечение дос тупа к городской образовательной сети} Информационная система профессиопальпого образования Московской области {обеснечение доступа к областпой образовательной сети} Научно-исследовательские центры {ссылки на различные научные и на учно-исследовательские организации и учреждения, разработчиков программно го обеспечения} • ВНИИ Геосистем • ИТЦ СканЭкс Новости {размещение различных объявлений о проведении учебных ме роприятий, расписание конференций, обучающих семинаров, телеконференций и т.п.} Опрос {проведение опроса но различным темам для выяснения каких либо вопросов и подведения итогов статистики}.

Страница интерфейса «Обучающий» представлена на рис. 3.5.

Рис.3.5. Информационная среда использования ГИС технологий в подготовке специалистов Крейдер Оксана Александровна Главная Ст.преподаватель каф.САУ Об информационной среде Направления деятельности Обучающие Обучающиеся Журнал успеваемости Отображение текущей Учебные дисциплины информации выбранного Планирование занятий Расписание занятий раздела Нормативно образовательная база Университет «Дубна»

Единая информационно образовательная среда г.Дубна Методические материалы Единая информационно-ресурсная Коллекция задач система профессионального образо Полезная информация вания Московской области Форумы Доска объявлений Новости Ссылки Опросы Регистрация или персонализация в той или иной мере используется теперь на большинстве Web-серверов. Для этого используются механизмы фильтрации информации и анализа работы пользователя, с их помощью удается определить ту область, которая может заинтересовать его. На рис.3.6. Представлена страни ца интерфейса пользователей группы «Обучающийся».

Рис.3.6. Информационная среда использования ГИС технологий в подготовке специалистов Иванов Владимир Петрович Главная Об информационной среде Группа № Направления деятельности Направление САУ Журнал успеваемости Расписание занятий Учебные дисциплины Нормативно-образовательная Отображение те куи{ей информации база Университет «Дубна»

выбранного раздела Единая информационно образовательная среда г.Дубна Методические материалы Единая информационно-ресурсная Коллекция задач система профессионального обра Полезная информация зования Московской области Новости Опросы Форумы Доска объявлений Ссылки Рис.3.6.

Как видно из приведенных структурных схем, отличие интерфейса обу чающего от обучающегося состоит, в основном, в нравах достуна к той или иной информации и возможности ее внесения в базу данных и знаний.

Совершенствование методов решения функциональных задач и снособов организации информационных процессов приводит к совершенно новым ин формационным технологиям, среди которых применительно к обучению можно выделить следующие:

1. Компьютерные обучающие программы, включающие в себя элек тронные учебники, тренажеры, тьюторы, лабораторные практикумы, тестовые системы.

2. Обучающие системы на базе мультимедиа технологий, ностроен ные с использованием персональных компьютеров, видеотехники, накопителей па оптических дисках, 3, Интеллектуальные и обучающие экспертные системы, используе мые в различных предметпых областях, 4, Распределенные базы данных по отраслям знаний.

5. Средства телекоммуникации, включающие в еебя электронную почту, телеконференции, локальные и региональные сети связи, сети обмена данными и т.д.

6. Электронные библиотеки, распределенные и централизованные из дательские системы.

Важнейшим направлением развития единого образовательного информа ционного пространства в вузе является иснользование информационных и теле коммуникационных технологий в учебном процессе, включая: создание и вне дрение в учебный процесс наряду с традиционными учебными материалами со временных электронных средств его поддержки и развития;

разработку средств информационно-технологической поддержки и развития учебного процесса;

обеспечение качества электронных средств поддержки и развития учебного про цесса па основе их стандартизации и сертификации;

подготовку педагогических, административных и инженерно-технических кадров университета, способных эффективпо использовать в учебном процессе новейшие информационные тех нологии.

3.3. Методика применения информационной среды для подготовки специалистов различных паправлепий Методика по примепению ИС использования ГИС-технологий в образова нии включает рекомендации по использованию информационных ресурсов сре ды и содержит: цели использовапия информационных ресурсов среды для обу чающих, администраторов, технологов, обучающихся;

возможные условия осу ществления учебного информационного взаимодействия на базе информацион ных ресурсов среды;

виды информационной деятельности, реализуемые на базе информационных ресурсов;

а также конкретные нримеры использования этих ресурсов.

Целями использования ннформационных ресурсов среды для участников образовательного процесса: обучающих, администраторов, технологов, обучаю щихся являются соверщепствование традиционной методики обучения и ис пользование инновационных форм и методов обучения.

Выделим характерные особенности осуществления учебной деятельности на основе ИС;

• доступность (доступ к ресурсу возможен с любого компьютера, имеющего выход в Интернет);

• открытость (гипертекстовая система подачи информации позволяет обучаемому находить собственную «траекторию» изучения учебного материала, углублять и расширять знания по своему усмотрению и возможностям);

• визуализация учебного материала (с помощью средств технологии мультимедиа, использующихся в WWW-сервисе Интернет, можно при необхо димости встраивать в учебный материал иллюстрации, анимацию, видеоролики, озвучивать информацию, встраивать элементы теста);

• интерактивность ресурса (интерактивные формы информационного взаимодействия, размещенные на Web-сайтах для ноиска, отбора и загрузки учебной информации).

В разделе рассмотрены различные виды учебной деятельности, осуществ ляемой во время учебного взаимодействия с помощью ресурсов ИС. Под учеб ной деятельностью, реализующейся в информационно-коммуникационной предметной среде, будем понимать динамическую систему, обеспечивающую условия взаимодействия между обучающимся (обучающимися), обучаемым и средствами ипформационных и коммуникационных технологий, нанравленную на достижение учебных целей. Встраиваемость возможностей информационных и коммуникационных технологий в обучающие средства и системы, доступные на портале, моделирующие и имитирующие па экране учебные сюжеты, объек ты, процессы, явления, обеспечивает реализацию новых видов учебной деятель ности как по форме, так и по методам представления и извлечения знания.

Виды учебной деятельности в информационной среде включают:

• Регистрация, сбор, накопление, храпение, обработка информации об изучаемых объектах, явлениях, процессах, в том числе реальпо протекающих, и передача достаточно больших объемов информации, представленной в различ ной форме.

• Интерактивный диалог - взаимодействие пользователя с компонен тами учебного взаимодействия, в том числе и со средством обучения, функцио нирующим на базе информационных и (или) коммуникационных технологий • Управление отображением на экране моделей различных объектов, явлений, процессов как виртуальных, так и реальных.

• Автоматизация процессов контроля (в том числе самоконтроля) за результатами учебной деятельности с последующей коррекцией по результатам контроля (в том числе «встраивание» тестирования), автоматизация процессов тренировки учебных умений и навыков.

• Продуцирование информации - деятельность но созданию инфор мационного продукта, отличающегося определенными существенными призна ками, характеризующими его качество или принадлежность к определеппой сфере использования, • Повыщение качества нодготовки специалистов высщей щколой в зпачительной степени определяется достижениями информатики, внедряемыми в образовательный процесс.

Существует две категории людей, имеющих принциниально различное мыщление: художники и мыслители. Художники имеют склонность к целостно му восприятию действительности, мыслители - сначала дробят ее, подвергая всестороппему анализу, затем синтезируют эти части в новую интеллектуальную структуру. В общем случае всех обучаемых можно условно разбить на четыре группы по параметру активности:

- художники (активность - 16%);

- художники-практики (активность - 34%);

- мыслители-практики (активность - 34%);

- мыслители (активность - 16%).

Отличия в организации мыслительной деятельности закладываются в мо дель индивидуальных характеристик в виде принадлежности пользователя к од ной из выщеперечисленных категорий. Для определения параметра активности можно использовать ряд тестовых методик, например, тест структуры иптеллек та (ТСИ) Р.Амтхауэра. Конечно, некоторые категории пользователей образова тельного портала могут скептически относиться к психологическому тестирова нию, однако во многих занадных странах такое тестирование для учащихся про водится регулярно и является обычной нроцедурой, так же, как и присутствие в образовательном учреждении профессионального психолога. К тому же в отно шении ТСИ никаких данных личного характера задавать не требуется (это тест на восприятие и мышление), поэтому вышеуказанные опасения для анкетирова ния пользователей лишепы всяческих оснований.

Очевидно, что для разных категорий учащихся необходимо по-разному организовывать процесс обучения. Так, для категории художников освоение ма териала нужно начинать в соответствии с принципом «от общего - к частному», а для категории мыслителей - опираться на конкретные понятия «от частного - к общему». Также должна отличаться и модальность обучающих воздействий.

Так, для художников, тяготеющих к образному, правонолушарному мышлению, наиболее эффективной является группа невербальных воздействий (схемы, гра фики). Напротив, для категории мыслителей, склопных к конкретному, левопо лушарному мышлению, эффективными являются вербальные воздействия (оп ределения, описания). Таким образом, параметр активности должен иметь кор реляцию с модальностью обучающего воздействия.

Для обеспечения образовательного процесса в ИС определены типы поль зователей: администраторы, технологи, гости, обучающие, обучающиеся.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.