Комбинированная онтологическая модель для дистанционного обучения людей с ограниченными возможностями зрения

Введение. В современном мире растет необходимость создания гибкой системы обучения. Наряду с традиционным обучением стремительно развивается дистанционное обучение (ДО), которое дает равные возможности всем людям независимо от социального положения, обеспечивает индивидуальный подход к каждому обучаемому, позволяет обучаться без пространственных ограничений, может наиболее адекватно и гибко реагировать на потребности обучающихся.

Сегодня существует достаточно большое количество программных систем для организации ДО. При организации учебного процесса в ДО используются специальные информационные управляющие системы (Learning Management System — LMS) [1], предназначенные для выполнения административных и технических процессов поддержки, связанных с

Работа выполнена по гранту КН МОН РК № 0115РК00536 „Разработка информационной технологии, алгоритмов и программио-аппаратиого обеспечения для интеллектуальных систем управления сложными объектами в условиях параметрической неопределенности“ (2015-2017 гг.).

Рис. 1. Структурная схема информационных управляющих систем электронным обучением. Эти системы представляют собой программную платформу для развертывания электронного обучения в организации и автоматизации управления образовательной деятельностью. Информационные управляющие системы подразделяются на коммерческие и системы с открытым исходным кодом (рис. 1).

К коммерческим системам LMS относятся: WebTutor, eLearning Server, „Прометей“, ”ДОЦЕНТ“, Redclass Pro, Learn eXact, Blackboard Learn. Система WebTutor позволяет организовать планирование, проведение и анализ результатов обучения пользователей с помощью электронных учебных курсов, а также обеспечить общение и обмен информацией между обучаемыми, преподавателями, экспертами и администраторами системы [2]. Система электронного обучения eLearning Server [3] является портальным решением, разработанным специально для эффективного управления дистанционным, очным и смешанным обучением. Система „Прометей“ [4] позволяет построить в Интернете виртуальный университет и проводить ДО для большого числа обучающихся, автоматизировав при этом весь учебный цикл: от приема заявок до отметки о выдаче итогового сертификата.

Система дистанционного обучения „ДОЦЕНТ“ (дистанционный обучающий центр) представляет собой комплекс программно-методических средств для автоматизации процесса ДО, повышения квалификации и определения уровня компетенции обучающегося [5]. Программный комплекс Redclass Pro [6] создает и модифицирует учебные материалы дистанционных курсов в формате SCORM. Комплекс программных приложений Learn eXact [7] реализует электронное обучение, основанное на XML, а также поддерживает международные стандарты IMS, AICC, SCORM.

К системам с открытым исходным кодом относятся: eFront, Sakai, Olat, Ilias, Moodie. Система eFront включает в себя функции систем управления обучением и создания учебных материалов [8]. Учебная среда Sakai [9] представляет собой набор программных инструментов для преподавателей и студентов. Система Olat [10] содержит гибкую систему он-лайн курсов, обеспечивает обучение и преподавание независимо от времени и места.

Для систем управления дистанционным обучением главным критерием является соответствие стандарту Sharable Content Object Reference Model (SCORM), который содержит требования к организации учебного материала. Это система позволяет обеспечить совместимость компонентов и возможность их многократного использования. Учебный материал представлен отдельными небольшими блоками, которые могут включаться в разные учебные курсы и использоваться в системах управления дистанционным обучением [11].

Образовательная среда Moodie [12] широко используется в современной образовательной среде, так как является бесплатной, хорошо интегрируется с другими информационными системами, дополняется новыми сервисами, вспомогательными функциями, отчетами, устанавливает готовые или разрабатывает совершенно новые дополнительные модули.

Предлагаемая в данной статье интеллектуальная информационная система дистанционного обучения для людей с ограниченными возможностями зрения (ЛОВЗ) [13-14] будет интегрирована как компонента в систему Moodie на базе образовательного портала ДО Казахского национального технического университета имени К. И. Сатпаева (КазНТУ, г. Алма-Ата, Казахстан).

В последнее время в Moodie широко применяются онтологические модели (ОМ) в качестве основы для создания систематизированных структур. Особенно актуально использование ОМ в процессах интеллектуализации ДО. Термин ,,онтология“ предложен Р. Го-клениусом в 1613 году и происходит от греческих ”Ontos“ — сущее — и ”logos“ — понятие, учение, разум. Долгие годы он существовал только как философское понятие. На сегодняшний день есть множество определений термина, которые связывают его с другими науками. В информационных технологиях термин ,, онтология “ следует понимать как детальную формализацию некоторой предметной области с помощью концептуальной схемы [15]. Это иерархически структурированное множество терминов, описывающих предметную область, которое может быть использовано как исходная структура для базы знаний.

Существует много публикаций по данной тематике. В работе [16] изложен способ систематизации контента интерактивных курсов и организации ДО при помощи онтологий: онтологии описания контента (онтология структуры курса) и онтологии предметной области (онтологии понятий изучаемой дисциплины).

Использование онтологического подхода при создании систем управления обучением изложено в работе [17]. В исследовании [18] рассматриваются ОМ представления знаний, а также алгоритм рассуждений по прецедентам, который повышает качество адаптивного поиска. В статье [19] описан метод систематизации мультимедийного контента электронного курса на основе онтологического подхода. В работе [20] представлена технология описания процесса обучения в виде ОМ и применения полученных результатов для решения задачи управления образовательной деятельностью. В исследовании [21] рассмотрено решение задачи создания единой модели знаний на основе предметной области и предложены пути практического применения построенной предметной онтологии. В статье [22] предложено построение ОМ на основе искусственного интеллекта и экспертных систем.

Ряд публикаций посвящен разработке онтологических моделей обучающихся. В исследовании [23] описана ОМ обучающегося, на основе которой строится индивидуальная траектория обучения. В статье [24] представлена ОМ обучающихся, которую можно использовать для классификации обучающихся и моделирования их поведения в системе управления обучением.

Используются специальные онтологические редакторы для наглядного проектирования, преобразования и конструирования созданных онтологических моделей на компью- тере. Основной функцией любого редактора онтологий является формализация знаний и представление онтологической структуры в понятном виде [25]. Редактор онтологий Ontolingua состоит из сервера и языка представления знаний, разработан в Стэнфордском университете и является первым инструментом инженерии онтологических структур. Коммерческой разработкой для создания и редактирования онтологий является OntoStudio [26]. Программа включает в себя различные структуры, схемы, модели и обладает инструментом отображения классов, экземпляров класса и связей. Редактор онтологий WebOnto создан для просмотра, разработки и изменения онтологических структур. Программа Protege является свободно распространяемой, предназначена для проектирования онтологических структур [27]. После формирования онтологической структуры, Protege генерирует формы получения знаний. Основными критериями, по которым можно сделать сравнительный анализ редакторов онтологий, являются открытость и расширяемость архитектуры, язык, формат, доступ, коллективное сетевое удаленное редактирование и другие. Всем вышеизложенным критериям отвечает редактор Protege.

Постановка задачи формируется следующим образом: необходимо разработать комбинированную онтологическую модель дистанционного обучения людей с ограниченными возможностями зрения с целью построения интеллектуальной системы ДО для изучения новейших технологий в лабораториях коллективного пользования (ЛКП).

Обучение ЛОВЗ и их адаптация в окружающей среде является актуальной проблемой современного образования. Система реализуется с использованием Национальной научной лаборатории коллективного пользования информационных и космических технологий при КазНТУ имени К. И. Сатпаева. На рис. 2 показана укрупненная структурная схема комбинированной онтологической модели дистанционного обучения ЛОВЗ. Комбинированная модель онтологий ДО для ЛОВЗ состоит из онтологической модели учебного процесса ДО и онтологической модели лаборатории коллективного пользования. Онтологическая модель учебного процесса ДО включает в себя онтологическую модель ЛОВЗ и онтологическую модель обучения. При построении ОМ обучаемого учитываются признаки ЛОВЗ по следующим составляющим: текущее состояние здоровья по зрению, интеллектуальный, мотивационный, психологический, физиологический и волевой потенциал личности. Данные характеристики представляются в виде временных рядов, характеризующих .ЛОВЗ, и обеспечивают выбор оптимальной, индивидуальной тактики обучения на основе применения подходов искусственного интеллекта (ИИ). Обработка многомерных данных осуществляется в режиме реального времени на основе нейронных сетей, генетических алгоритмов, нейро-нечеткой логики [28].

Для многих незрячих людей компьютерная техника стала необходимым и единственным средством для работы и общения. При создании информационных технологий дистанционного обучения ЛОВЗ необходимо учитывать возможность обеспечения для них полноценной работы на персональных компьютерах. Для этого существуют специальные программы экранного доступа. В данной работе используется программа экранного доступа JAWS [29].

Программа разработана группой слепых и слабовидящих людей из Freedom Scientific, штат Флорида, США. Она дает возможность получить доступ ЛОВЗ к свободному использованию персонального компьютера с операционной системой Microsoft Windows (рис. 3). С помощью синтезатора речи, через аудиокарту компьютера информация с экрана озвучивается голосом вслух, обеспечивая возможность речевого доступа к разнообразным программам, приложениям, и позволяет без ограничений пользоваться клавиатурой Брайля

Рис. 2. Укрупненная структурная схема комбинированной онтологической модели дистанционного обучения ЛОВЗ

(КБ), где 1,N — количество клавиатур Брайля, подключенных к ЛОВЗ.

При разработке ОМ обучения создается унифицированная структура учебной дисциплины, что позволяет более эффективно осуществлять интеграцию учебных курсов.

Онтологическая модель лаборатории коллективного пользования (рис. 4) описывает доступ ЛОВЗ к суперкомпьютеру для проведения лабораторных, практических работ и обработки больших объемов данных на вычислительных кластерах. Вычислительный кластер состоит из сервера, системы хранения данных, коммутаторов и источника бесперебойного питания. Все перечисленные устройства взаимосвязаны между собой. Универсальный сервер используется для работы разных приложений в рамках информационных центров, управляет задачами и занимается их распределением между вычислительными узлами кластера. На сервере ЛКП создается виртуальная машина, предоставляются удаленный доступ и необходимое программное обеспечение для каждого незрячего (1,N — количество ЛОВЗ).

Сервер принимает и обслуживает команды от обучающихся и обеспечивает обмен информацией между оборудованием, подключенным к серверу, и удаленным компьютером через сеть Internet. Система хранения данных обеспечивает оптимальную работу приложений, решает наиболее ресурсоемкие технические задачи и эффективно защищает данные. Коммутаторы оснащены передовой системой безопасности, способной предотвратить несанкционированный доступ и любые проникновения при работе системы. Каждый коммутатор обеспечивает непрерывную работу сетевой структуры при любых условиях, созданных в вычислительной среде. Источник бесперебойного питания предоставляет постоянный и непрерывный режим работы. Преимуществом данного подхода является возможность дистанционного обучения ЛОВЗ на дорогостоящем оборудовании ЛКП.

Заключение. Интеллектуальная информационная система дистанционного обучения ЛОВЗ, построенная с использованием комбинированной онтологической модели, обеспечивает эффективное функционирование системы, создает индивидуальный подход к

Рис. 3. Структурная схема JAWS

Онтологическая модель лаборатории коллективного пользования

Рис. 4. Структурная схема онтологической модели лаборатории коллективного пользования

каждому обучаемому, способствует адаптации людей с ограниченными возможностями зрения в системе дистанционного образования и позволяет оперативно управлять процессом обучения в режиме реального времени.