НА  КОНКУРС  НА  КРАЩУ 

НАУКОВУ РОБОТУ СТУДЕНТІВ 

ПО  РОЗДІЛІ

"ТЕХНІЧНА  КІБЕPНЕТИКА,

ОБЧИСЛЮВАЛЬНА,  МІКPОПPОЦЕСОPНА ТЕХНІКА 

ТА  ІНФОPМАТИКА"

 

 

Студентська наукова робота

на тему:

CИСТЕМНА ОРГАНІЗАЦІЯ ПРОГРАМНИХ ЗАСОБІВ ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ КОГНІТИВНИХ АЛЬБОМІВ У МЕРЕЖНОМУ СЕРЕДОВИЩІ

 

                               ДЕВІЗ: КОГНІТИВНА ГРАФІКА

2006 р.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1  Рассмотрение концепции когнитивной компьютерной графики

1.1 От виртуальной реальности к реальности когнитивной

1.2 Когнитивная компьютерная графика

1.3 Концепция когнитивной компьютерной графики

1.4 Иллюстративная и когнитивная функции КГ

1.5 Задачи и требования когнитивной КГ

1.6 Влияние компьютеризации инженерной подготовки на мышление

1.7 Иллюстративная и когнитивная функции мультимедиа

1.8 Интерактивность

1.9 Примеры

2  Анализ технологий для реализации Flash-альбомов

3  Системные вопросы разработки когнитивных Flash–альбомов. Реализация интерактивных когнитивных Flash–альбомов в Интернет

Выводы

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность:

Развитие электронных средств мультимедиа открывает для сферы обучения принципиально новые дидактические возможности. Так, системы интерактивной графики и анимации позволяют в процессе анализа изображений управлять их содержанием, формой, размерами, цветом и другими параметрами для достижения наибольшей наглядности. Эти и ряд других возможностей слабо еще осознаны разработчиками электронных технологий обучения, что не позволяет в полной мере использовать учебный потенциал мультимедиа. Дело в том, что применение мультимедиа в электронном обучении не только увеличивает скорость передачи информации учащимся и повышает уровень ее понимания, но и способствует развитию таких важных для специалиста любой отрасли качеств, как интуиция, профессиональное "чутье", образное мышление.

Воздействие интерактивной компьютерной графики на интуитивное, образное мышление привело к возникновению нового направления в проблематике искусственного интеллекта – когнитивной (т.е. способствующей познанию) компьютерной графике.

Цели и задачи:

Цель работы заключается в рассмотрении вопросов системной организации программных средств для реализации когнитивных альбомов в сетевой среде, а также концепций когнитивной компьютерной графики.

Для достижения цели в работе решаются следующие задачи:

1.     Рассмотрение концепций когнитивной компьютерной графики.

2.     Анализ технологий для реализации Flash-альбомов.

3.     Анализ системных вопросов разработки когнитивных Flash–альбомов. Реализация интерактивных когнитивных Flash–альбомов в Интернет.

1  РАССМОТРЕНИЕ КОНЦЕПЦИИ КОГНИТИВНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

1.1 От виртуальной реальности к реальности когнитивной

Человек - одна из наиболее совершенных и сложных систем, существующих "в подлунном мире". Познание - одна из главных функций человеческой жизнедеятельности, а НОВОЕ ЗНАНИЕ - основной результат этой познавательной активности человека и, одновременно, один из главных критериев оценки эволюционного совершенства подобного типа систем.

Однако, сегодня уже не вполне корректно говорить о феномене порождения нового знания в голове человека вне его (этого феномена) существенной зависимости от современных технологий информационного обеспечения этого процесса. С этой точки зрения, виртуальная реальность - это не только величайшее достижение современной информационной индустрии: человек в среде виртуальной реальности (включая сюда энциклопедические базы знаний на основе мультимедийных и гипертекстовых технологий) - это качественно новая ступень эволюции традиционного человеческого мышления и, уж во всяком случае, - абсолютно новая технология решения любых проблем.

Существует концепция так называемой когнитивной реальности, представляющей собой некую интеллектуальную среду, погружаясь в которую, человек "общается" не с виртуальными образами реальных (или "придуманных") объектов, а с реальными, мультимедийными образами абстрактных (т.е. несуществующих в "объективной реальности") объектов, понятий, и концепций данной проблемной или предметной области. Цель такого общения человека-пользователя с когнитивной реальностью - жестко фиксирована: порождение нового знания. Очевидно, что новое знание всегда существенно (и часто, весьма нетривиально) расширяет область допустимых стратегий достижения поставленных целей [1].

Базовым элементом технологии когнитивной реальности является Когнитивная Компьютерная Графика.

1.2 Когнитивная компьютерная графика

Человеческое познание пользуется как бы двумя механизмами мышления. Один из них – возможность работать с абстрактными цепочками символов, с которыми связаны некоторые семантические и прагматические представления. Это – умение работать с текстами в самом широком смысле этого слова. Такое мышление можно было бы назвать символическим или алгебраическим. Другой – способность работать с чувственными образами и представлениями об этих образах. Такие образы обладают куда большей конкретностью и интегрированностью, чем символические представления. Но они и значительно более «расплывчаты», «менее логичны», чем то, что скрывается за элементами, с которыми оперирует алгебраическое мышление. Но без них мы не могли бы отражать в нашем сознании окружающий мир в той полноте, которая для нас характерна. Способность работать с чувственными образами (и, прежде всего, со зрительными образами) определяет то, что можно было бы назвать геометрическим мышлением [2].

Многие специалисты в области психологии мышления убеждены, что именно наличие двух способов представления информации (в виде последовательности символов и в виде картин-образов), умение работать с ними и соотносить оба способа представления друг с другом обеспечивают сам феномен человеческого мышления.

Возникает необходимость появления специальных средств работы со зрительными представлениями и способы перехода от них к текстовым представлениям и обратного перехода. Так была поставлена основная задача, из которой сейчас возникает новая проблемная область – когнитивная графика.

Когнитивная графика отличается от машинной графики тем, что ее основной задачей является создание таких моделей представления знаний (когнитивных моделей), в которых была бы возможность однообразными средствами представлять как объекты, характерные для алгебраического мышления, так и образы-картины, с которыми оперирует геометрическое мышление. Эти комбинированные когнитивные структуры – основные объекты когнитивной графики.

Все большую роль начинает играть использование возможностей ИКГ и в фундаментальных научных исследованиях. При этом характерный для начального этапа акцент на иллюстративной функции ИКГ, т.е. построении, например, типовых диа- и гистограмм, всевозможных двумерных графов, планов и схем, графиков различных функциональных зависимостей и т.п., все более смещается в сторону активного использования тех возможностей ИКГ, которые позволяют «максимально использовать в научных исследованиях свойственную человеку способность мыслить сложными пространственными образами».

Когнитивная функция изображений использовалась в науке и до появле­ния компьютеров. Образные представления, связанные с понятиями граф, дерево, сеть и т.п. помогли доказать немало новых теорем, круги Эйлера позволили визуализировать абстрактное отношение силлогистики Аристо­теля, диаграммы Венна сделали наглядными процедуры анализа фун­кций алгебры логики [3].

Систематическое использование когнитивной графики в компьютерах в составе человеко-машинных систем сулит многое. Даже весьма робкие по­пытки в этом направлении, известные как мультимедиа-технологии, привле­кающие сейчас пристальное внимание специалистов (особенно тех, кто занят созданием интеллектуальных обучающих систем), показывает перспектив­ность подобных исследований.

1.3 Концепция когнитивной компьютерной графики

"Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать..." - гласит народная мудрость. С этой точки зрения вся история науки является убедительной иллюстрацией извечного стремления человека расширить эволюционные пределы своего видения окружающего мира. Человек изобрел телескоп, чтобы приблизить и лучше разглядеть скрытые от прямого наблюдения загадки звездных миров, создал микроскоп, чтобы увидеть, рассмотреть мельчайшие объекты микромира... Рентгенография и спектроскопия позволили человеку увидеть внутреннее строение вещества, томография открыла взгляду человека внутренний мир живых организмов, тепловидение позволило ему непосредственно увидеть тепло, радиовизор - радиоволны... И т.д., и т.п... - Увидеть, рассмотреть, разглядеть..., - но не только потому, что через глаз в человеческий мозг поступает свыше 90 процентов информации об окружающем мире: зрение - это не просто канал, или приемник, или преобразователь визуальной информации, но, по-видимому, и один из важнейших элементов самой технологии образного, интуитивного, творческого, т.е. именно порождающего новое знание, мышления.

Хорошо известно, что удачный рисунок может не только убедительно проиллюстрировать суть, смысл сложного теоретического вопроса: такой рисунок позволяет иногда - и не так уж редко - увидеть новые, неожиданные грани, казалось бы, хорошо известной проблемы, именно УВИДЕТЬ новое соображение, мысль, идею. Другими словами, графика выполняет не только привычную, традиционную ИЛЛЮСТРАТИВНУЮ функцию, но и другую, не менее важную, КОГНИТИВНУЮ, или способствующую познанию, функцию. И современная информационная технология открывает принципиально новые возможности использования именно такой Когнитивной Компьютерной Графики (ККГ) в области, прежде всего, абстрактно-теоретических исследований Фундаментальной Науки (ФН).

ККГ и представляет собой некий универсальный аналог телескопа, микроскопа, рентгеновского спектрометра, томографа, тепловизора и т.п. с тем, однако, существенным отличием, что она является первым в истории науки физическим прибором, который позволяет увидеть объекты нефизического, невидимого мира научных абстракций. Если учесть, что к числу таких абстракций относятся также и многие закономерности, определяющие поведение объектов и систем реального мира, то проблема ККГ-визуализации абстрактных сущностей выходит за рамки чисто академического интереса.

1.4 Иллюстративная и когнитивная функции КГ

В настоящее время компьютерная графика - это одно из наиболее бурно развивающихся направлений новых информационных технологий. Так, в научных исследованиях, в том числе и в фундаментальных, характерный для начального этапа акцент на иллюстративной функции КГ все более смещается в сторону использования тех возможностей КГ, которые позволяют активизировать свойственную человеку способность мыслить сложными пространственными образами. В связи с этим начинают четко различать две функции КГ: иллюстративную и когнитивную [4].

Иллюстративная функция КГ позволяет воплотить в более или менее адекватном визуальном оформлении лишь то, что уже известно, т.е. уже существует либо в окружающем нас мире, либо как идея в голове исследователя. Когнитивная же функция КГ состоит в том, чтобы с помощью некоего графического изображения получить новое, т.е. еще не существующее даже в голове специалиста знание или, по крайней мере, способствовать интеллектуальному процессу получения этого знания.

Иллюстративные функции КГ реализуются в учебных системах декларативного типа при передаче учащимся артикулируемой части знания, представленной в виде заранее подготовленной информации с графическими, анимационными - и видеоиллюстрациями.

Когнитивная же функция КГ проявляется в системах процедурного типа, когда учащиеся "добывают" знания с помощью исследований на математических моделях изучаемых объектов, причем, поскольку этот процесс формирования знаний опирается на интуитивный правополушарный механизм мышления, сами эти знания в существенной мере носят личностный характер. Каждый человек формирует приемы подсознательной умственной деятельности по-своему. Современная психологическая наука не располагает строго обоснованными способами формирования творческого потенциала человека, пусть даже профессионального. Одним из известных эвристических подходов к развитию интуитивного профессионально-ориентированного мышления является решение задач исследовательского характера. Применение учебных компьютерных систем процедурного типа позволяет в существенной мере интенсифицировать этот процесс, устранив из него рутинные операции, сделать возможным проведение различных экспериментов на математических моделях.

Рис.1.1 Структура и взаимосвязь знаний и компьютерной графики

Роль КГ в этих учебных исследованиях трудно переоценить. Именно графические изображения хода и результатов экспериментов на математических моделях позволяют каждому учащемуся сформировать свой образ изучаемого объекта или явления во всей его целостности и многообразии связей. Несомненно, также, что компьютерные изображения выполняют при этом прежде всего когнитивную, а не иллюстративную функцию, поскольку в процессе учебной работы с компьютерными системами процедурного типа у учащихся формируются сугубо личностные, т.е. не существующие в таком виде ни у кого, компоненты знаний.

Конечно, различия между иллюстративной и когнитивной функциями компьютерной графики достаточно условны. Нередко обычная графическая иллюстрация может натолкнуть каких-то учащихся на новую мысль, позволит увидеть некоторые элементы знания, которые не "вкладывались" преподавателем-разработчиком учебной компьютерной системы декларативного типа. Таким образом, иллюстративная по замыслу функция компьютерного изображения превращается в функцию когнитивную. С другой стороны, когнитивная функция компьютерного изображения при первых экспериментах с учебными системами процедурного типа в дальнейших экспериментах может превращаться в функцию иллюстративную для уже "открытого" и, следовательно, уже не нового свойства изучаемого объекта.

Тем не менее, принципиальные отличия в логическом и интуитивном механизмах мышления человека, вытекающие из этих различий формы представления знаний и способы их освоения, делают полезным в методологическом плане различение иллюстративной и когнитивной функций компьютерной графики и позволяют более четко формулировать дидактические задачи графических изображений при разработке компьютерных систем учебного назначения.

1.5 Задачи и требования когнитивной КГ

Известный специалист в области искусственного интеллекта Д. А. Поспелов сформулировал три основных задачи когнитивной компьютерной графики. Первой задачей является создание таких моделей представления знаний, в которых была бы возможность однообразными средствами представлять как объекты, характерные для логического мышления, так и образы-картины, с которыми оперирует образное мышление. Вторая задача - визуализация тех человеческих знаний, для которых пока невозможно подобрать текстовые описания. Третья - поиск путей перехода от наблюдаемых образов-картин к формулировке некоторой гипотезы о тех механизмах и процессах, которые скрыты за динамикой наблюдаемых картин [6].

Эти три задачи когнитивной КГ с позиций информационных технологий обучения следует дополнить четвертой задачей, заключающейся в создании условий для развития у обучаемых профессионально-ориентированных интуиции и творческих способностей.

При разработке компьютерных систем инженерного анализа, проектирования и обучения обычно исходят из первых двух задач когнитивной графики, когда знания о техническом объекте, полученные в ходе исследований на многомерных математических моделях и представленные в обычной символьно-цифровой форме, становятся недоступными для анализа человеком из-за большого объема информации.

Четкое осознание третьей и четвертой задач когнитивной графики позволяет формулировать дополнительные требования как к собственно графическим изображениям, так и к соответствующему программно-методическому обеспечению. Среди них можно выделить: адекватность изучаемым объектам или процессам, используемым инженерным методам и методикам обучения; естественность и доступность для восприятия слабо подготовленными или даже неподготовленными пользователями; удобство для анализа качественных закономерностей распределения параметров; эстетическую привлекательность, быстроту формирования изображения [6].

Учащиеся должны иметь также возможность выбирать тип изображения. Дело в том, что одну и ту же информацию можно отобразить в графической форме различным образом. Например, в механике деформированного твердого тела для представления скалярных и векторных полей физических параметров используют порядка десяти различных типов изображений. Результаты специальных исследований этих типов графического отображения информации свидетельствуют, что каждый человек в силу своего индивидуального, личностного восприятия по-своему оценивает эффективность того или иного типа изображения, причем оценки разных людей могут существенно отличаться. Поэтому компьютерные системы учебного назначения должны иметь набор различных способов графического отображения информации, чтобы каждый учащийся мог выбрать наиболее подходящий для него тип изображения, либо использовать различные графические картины для анализа результатов машинных расчетов. Необходимо предоставить учащимся и возможность управлять изображениям - варьировать его размерами, цветовой гаммой, положением точки зрения наблюдателя, количеством и положением источников освещения, степенью контрастности изображаемых величин и т.п. Все эти возможности графического интерфейса не только позволяют учащимся выбирать подходящие формы графических изображений, но и вносят игровые и исследовательские компоненты в учебную работу, естественным образом побуждают учащихся к глубокому и всестороннему анализу свойств изучаемых объектов и процессов.

1.6 Влияние компьютеризации инженерной подготовки на мышление

Основными направлениями инженерной деятельности являются проектирование, изготовление и эксплуатация приборов, машин, строительных сооружений и других технических объектов. Широкое использование вычислительной техники во всех этих сферах деятельности современного инженера предъявляет к его профессиональной квалификации ряд дополнительных требований, заключающихся в овладении новыми информационными, в значительной мере формализованными технологиями инженерного труда. Однако сущность инженерной квалификации остается прежней и заключается не только и даже не столько во владении формализованными методами решения инженерных задач, сколько в развитой интуиции, так называемом инженерном чутье, опирающемся на знание фундаментальных физических свойств технических объектов и процессов и умение глубоко анализировать эти свойства. Такие профессиональные качества всегда ценились в инженере, а к настоящему времени их роль, в связи с широким внедрением информационных технологий в промышленности, в строительстве, на транспорте, еще более возросла. Чтобы строить адекватные математические модели, необходимо глубоко понимать физическую природу объектов моделирования. Чтобы принимать технически грамотные решения при работе с САПР или другими человеко-компьютерными комплексами, необходимо уметь правильно воспринимать и осмысливать результаты вычислений, учитывать трудно формализуемые факторы, всегда имеющиеся в инженерной деятельности [5].

Важную роль на протяжении всей учебы в техническом вузе играют многочисленные задания и учебные проекты с большим объемом вычислительной работы. Значительные усилия в области компьютеризации учебного процесса в техническом вузе направляются на автоматизацию трудоемких или, как их иногда называют, "рутинных" учебных работ. В ряде случаев эта автоматизация создает предпосылки для более глубокого изучения свойств технических объектов на математических моделях, проведения в учебном процессе параметрических исследований и оптимизации. Более того, развитие новых информационных технологий в некоторых инженерных дисциплинах достигло такого высокого уровня, что позволяет, как бы это ни звучало парадоксально, перенести акцент в обучении с освоения формализованных методов инженерного труда на углубленное изучение физических закономерностей.

Наряду с освоением будущими инженерами новых информационных технологий, в ходе компьютеризации обучения необходимо не только сохранить, но и с помощью компьютерных средств усилить инженерную подготовку в конкретной предметной области, опирающуюся на профессиональную интуицию, знание и понимание фундаментальных физических принципов построения и функционирования технических объектов и процессов. Очевидно, что в решении этой задачи важная роль принадлежит компьютерной графике. Не случайно же говорят, что инженер мыслит образами [4].

Четкое выделение неявных, подсознательных компонентов знания позволяет также четко ставить задачу их освоения, формулировать соответствующие требования к методам и средствам обучения, в том числе и к технологиям мультимедиа.

Когнитивная графика позволяет образно представить различные математические формулы и закономерности для доказательства сложных теорем. Она открывает новые возможности для познания законов функционирования сознания – этой наиболее сложной тайны мироздания [5].

Процесс познания математических объектов во многом укладывается в схему "интуиция, абстракция, символическая интерпретация". Важным этапом в этой цепочке является развитие навыков графического представления информации, причем такого представления, которое бы выявляло суть абстракции [5].

Начиная с Пифагора и Евклида, выдающиеся математики всех эпох прекрасно понимали, что рисунок, схема, чертеж стимулируют воображение, интуицию ученого и являются полезными как в научных исследованиях, так и в процессе обучения математике.

Компьютер позволяет увидеть связи и значения, которые до сих пор были скрыты от нас. Через программирование и построение информационных моделей в содержательную часть математики входят абстракции человеческой деятельности, свойства искусственных и живых систем.

Изображения, созданные компьютером, позволяют дать самое удивительное и одновременно самое полное из всех известных описаний множества математических формул.

Средства когнитивной графики связаны со многими новейшими ИТ, включая авторские технологии – гипертекст и мультимедиа.

Когнитивные компьютерные средства представляют собой комплекс виртуальных устройств, программ и систем, реализующих совокупную обработку зрительной информации в виде образов, процессов, структур и позволяющих средствами диалога реализовать методы и приёмы представления условий задачи или подсказки в виде зрительных образов. Виртуальное устройство является функциональным эквивалентом устройства, предоставляемого пользователю независимо от того, имеется ли данное устройство в системе или нет.

1.7 Иллюстративная и когнитивная функции мультимедиа

Интерпретируя рассмотренные выше различия между лево- и правополушарным механизмами мышления применительно к познавательной деятельности учащихся, можно сделать вывод о том, что логическое мышление выделяет лишь некоторые, наиболее существенные элементы знания и формирует из них однозначное представление об изучаемых объектах и процессах, в то время как подсознание обеспечивает целостное восприятие мира во всем его многообразии.

Исходя из этого различия, можно выделить две функции мультимедиа - иллюстративную и когнитивную.

Иллюстративная функция обеспечивает поддержку логического мышления. В этом случае объект мультимедиа подкрепляет, иллюстрирует какую-то четко выраженную мысль, свойство изучаемого объкта или процесса, т.е. то, что уже сформулировано, например, преподавателем-разработчиком.

Когнитивная же функция состоит в том, чтобы с помощью некоего объекта мультимедиа получить новое, т.е. еще не существующее даже в голове специалиста знание или, по крайней мере, способствовать интеллектуальному процессу получения этого знания.

Иллюстративная функция мультимедиа реализуется в учебных системах декларативного типа при передаче учащимся артикулируемой части знания, представленной в виде заранее подготовленной информации с графическими, анимационными, аудио- и видеоиллюстрациями. Когнитивная же функция мультимедиа проявляется в системах процедурного типа, когда учащиеся "добывают" знания с помощью исследований на математических моделях изучаемых объектов, причем, поскольку этот процесс формирования знаний опирается на интуитивный, правополушарный механизм мышления, сами эти знания в существенной мере носят личностный характер. Каждый человек формирует приемы подсознательной умственной деятельности по-своему. Современная психологическая наука не располагает строго обоснованными способами формирования творческого потенциала человека, пусть даже профессионального. Одним из известных эвристических подходов к развитию интуитивного профессионально-ориентированного мышления является решение задач исследовательского характера. Применение учебных компьютерных систем процедурного типа позволяет в существенной мере интенсифицировать этот процесс, устранив из него рутинные операции, сделать возможным проведение различных экспериментов на математических моделях.

Трудно переоценить в этих учебных исследованиях роль компьютерной графики. Именно графические изображения хода и результатов экспериментов на математических моделях позволяют каждому учащемуся сформировать свой образ изучаемого объекта или явления во всей его целостности и многообразии связей. Несомненно также, что компьютерные изображения выполняют при этом прежде всего когнитивную, а не иллюстративную функцию, поскольку в процессе учебной работы с компьютерными системами процедурного типа у учащихся формируются сугубо личностные, т.е. не существующие в таком виде ни у кого, компоненты знаний.

Однако когнитивная функция мультимедиа может быть реализована и в учебных системах декларативного типа. Например, при первом знакомстве с каким-либо техническим объектом создать его целостный образ в сознании учащихся можно с помощью натурных видеофрагментов.

К тому же, различия между иллюстративной и когнитивной функциями мультимедиа достаточно условны. Нередко обычная графическая иллюстрация, анимация или видеофрагмент может натолкнуть каких-то учащихся на новую мысль, позволит увидеть некоторые элементы знания, которые не "вкладывались" преподавателем-разработчиком учебной компьютерной системы декларативного типа. Таким образом иллюстративная по замыслу функция мультимедиа объекта превращается в функцию когнитивную. С другой стороны, когнитивная функция компьютерного изображения при первых экспериментах с учебными системами процедурного типа в дальнейших экспериментах может превращаться в функцию иллюстративную для уже "открытого" и, следовательно, уже не нового свойства изучаемого объекта.

Тем не менее, принципиальные отличия в логическом и интуитивном механизмах мышления человека, вытекающие из этих различий формы представления знаний и способы их освоения, делают полезным в методологическом плане различение иллюстративной и когнитивной функций мультимедиа и позволяют более четко формулировать дидактические задачи мультимедиа объектов при разработке компьютерных систем учебного назначения.

1.8            Интерактивность

Компьютер как средство пассивного отображения объектов мультимедиа не обладает принципиальной новизной в дидактическом плане. Принципиально новой для сферы обучения является интерактивность, благодаря которой учащиеся могут в процессе анализа мультимедиа объектов динамически управлять их содержанием, формой, размерами и цветом, рассматривать их с разных сторон, приближать и удалять, останавливать и вновь запускать с любого места, менять характеристики освещенности и проделывать другие подобные манипуляции, добиваясь наибольшей наглядности. Желательно иметь также возможность выбирать форму визуального представления информации.

Таким образом, интерактивность предоставляет возможности не только для пассивного восприятия информации, но и для активного исследования характеристик мультимедиа моделей изучаемых объектов или процессов. Процесс учебной деятельности при этом приближается по своим дидактическим условиям к работе с компьютерными системами процедурного типа. Следовательно, интерактивность придает мультимедиа когнитивный характер, вносит игровые и исследовательские компоненты в учебную работу, естественным образом побуждает учащихся к глубокому и всестороннему анализу свойств изучаемых объектов и процессов.

1.9 Примеры

В настоящее время возрос интерес к методам обработки информации, использующим уникальные возможности человека воспринимать и анализировать абстрактные изображения. Когнитивные графические образы являются инструментальным средством исследования различных областей. Известно, что основную информацию несет контур. Простые контурные представления используются для описания различных многомерных структур данных. При большой размерности используются интегральные контурные представления. Задачей человека-оператора является обучение распознаванию ситуации на основе полученных образов. Образное графическое представление информации о решаемой задаче или управляемом объекте является наиболее эффективным по выразительности и по времени восприятия. Это преимущество важно для контроля и управления сложными и критическими по времени процессами. Как правило, контроль осуществляется посредством анализа состояний множества устройств объекта и обнаружения отклонений. Задача диагностики состоит в установлении причин возможных отказов элементов, агрегатов и системы в целом. Чтобы определить условия перехода системы из штатной ситуации (ШС) в нештатную ситуацию (НШС) или аварийную, должны быть разработаны способы логико-временного описания ситуаций. Следующим этапом работы является визуализация ШС и НШС. ЭВМ производит преобразование контролируемых данных в контурные, цветояркостные и другие когнитивные представления, которые помогают человеку выявить информативные признаки и установить классы неисправностей. Таким образом, был разработан обобщенный динамический образ, отражающий состояние объекта в целом (рис.1.2). Каждый сектор образа соответствует отдельному процессу.


Рис.1.2 Обобщенный динамический образ, отражающий состояние объекта в целом


Неактивные процессы отображаются приглушенным (зеленым) цветом, а активные – ярким. Нештатный процесс отображается ярко-красным цветом. Для диагностики отдельного процесса используются комбинированные образы (рис.1.3).

Рис.1.3 Комбинированный образ

Текущее состояние отображается жирной линией, которая, в случае штатной ситуации лежит в пределах ограничивающих колец. Исходными данными для контроля служат циклограммы, описывающие этапы функционирования объекта с привязкой к реальному масштабу времени. Графические средства позволяют обеспечить тот уровень информированности, который необходим для принятия решений.

Когнитивные изображения широко используются в учебных мультимедиа комплексах (УМК) системы КАДИС (системы Комплексов Автоматизированных ДИдактических Средств), разработанной и развиваемой в центре новых информационных технологий при Самарском государственном аэрокосмическом университете. Один из комплексов КАДИС предназначен для подготовки инженеров-механиков к конструированию силовых схем - важному, но трудно формализуемому этапу проектирования механических конструкций. В качестве примеров некоторых типовых изображений, используемых в интеллектуальном тренажере комплекса, рассмотрим оптимальное распределение материала (рис.1.4) и внутренних усилий (рис.1.5) в пластине, три стороны которой жестко закреплены, а к свободной стороне приложена сосредоточенная нагрузка.



Рис.1.4 Графическое отображение оптимального распределения материала в пластине

Когнитивный характер данных изображений определяют три фактора. Во-первых, они весьма наглядно, в доступной и адекватной для механики конструкций форме отображают поля физических параметров, полученные в результате трудоемких формальных вычислений на многомерных дискретных математических моделях метода конечных элементов. Во-вторых, целостное представление большого количества данных о конструкции и ее напряженном состоянии позволяет учащимся выявить основные закономерности, побуждает к формированию гипотез и проведению исследований. В данной задаче, например, соотношение размеров пластины подобрано таким образом, чтобы передача внешней нагрузки осуществлялась как на стенки, так и на дно своеобразного плоского "ящика", что явно прослеживается на графических картинах. Нетрудно также догадаться и, используя пакет прикладных программ оптимизации тренажера, проверить догадку, как следует изменить конфигурацию пластины, чтобы внешняя нагрузка уравновешивалась только на дне или на стенках этого "ящика". И, наконец, третий, самый важный фактор когнитивного характера представленных изображений. Анализ таких картин в сочетании с предшествующим эвристическим проектированием силовых схем для различных условий опирания и нагружения конструкций очень эффективно, как показывает многолетний опыт эксплуатации тренажера, развивает у обучаемых профессиональную интуицию, конструкторское "чутье" по выбору рациональных траекторий передачи внутренних усилий в конструкциях.



Рис.1.5. Графическое отображение распределения усилий в пластине

Хорошие интерактивные возможности предоставляет Flash-технология фирмы Macromedia. На рис.1.6 показан пример flash-анимации с лупой из УМК КАДИС "Виртуальный учебный кабинет конструкции самолетов". Здесь используется специальный технологический прием, позволяющий видеть агрегат самолета в целом и иметь возможность, передвигая лупу с помощью мыши, изучать мелкие детали. Язык VRML (Virtual Reality Modeling Language) открывает дверь, за которой вместо плоских двухмерных изображений оказываются трехмерные интерактивные миры. Использование специальных проигрывателей VRML в качестве Plug-in (а в современных версиях броузеров эти проигрыватели входят в состав типового программного обеспечения) позволяет управлять трехмерными виртуальными моделями.



Рис. 1.6. Пример flash-анимации с использованием лупы


На рис.1.7 показаны фрагменты интерактивного взаимодействия с виртуальной моделью из УМК КАДИС по органической химии для средней школы.

  

Рис.1.7. Фрагменты интерактивного взаимодействия с VRML-моделью молекулы бензола

Данный комплекс содержит большое количество мультимедиа объектов различного типа: статическую графику, двумерные и трехмерные анимации, интерактивные трехмерные VRML-модели молекул, Flash-анимации, фрагменты видеофильмов. Дело в том, что при изучении органической химии очень важны когнитивные функции мультимедиа, которые позволяют каждому учащемуся формировать свои собственные ассоциации пространственного строения органических соединений во всей их целостности и многообразии связей. Понимание особенностей строения вещества позволяет учащимся прогнозировать (а не заучивать!) его химические и физические свойства.

Выделение когнитивной функции мультимедиа имеет большое значение для развития интуитивного, образного мышления, чрезвычайно важного для многих сфер профессиональной деятельности. Понимание этой роли мультимедиа позволит педагогам более четко формулировать требования к мультимедиа объектам, используемым в компьютерных системах учебного назначения, устранить ряд негативных факторов, присущих практике компьютеризации обучения, и более полно реализовать дидактический потенциал новых информационных технологий.

Рассмотрим использование методов когнитивной графики в следующем примере: дана функция . Необходимо выполнить минимизацию данной функции.

Рис.1.8  Минимизация булевой функции (1)

Рис.1.9  Минимизация булевой функции (2)

Анализ функции f1 показывает, что к термам F1, F2 и F3, F4 может быть применен закон склеивания, что дает f1,1=abÚae. Применение ассоциативного закона к функции f1,1 приводит к выражению f1,2=a(bÚe).

2  АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ FLASH-АЛЬБОМОВ

Flash Slide Show Maker

Version 2.1

·        добавление фотографий;

·        для фотографий предусмотрено:

- ротация;

- выбор эффектов;

- установка времени появления фотографии на экране;

- установка времени показа фотографии на экране;

·        выбор и установка для демонстрации фотографий:

- рамки;

- цвета фона;

- декорирование динамическими элементами;

·        публикация файла в форматах swf и html.

Firm Tools Album Creator 3.5

Digital Photo Gallery Generator

Album Creator – это программа для создания альбомов из цифровых фотографий с использованием тематических Flash и HTML шаблонов. Шаблоны легко настраиваются, что даёт полный контроль над внешним видом вашего фотоальбома. Имеется возможность: создавать шаблоны сами, скачивать дополнительные шаблоны, исправлять цветовой баланс фотографий и убирать красные глаза. Встроенная поддержка FTP позволит легко опубликовать фотоальбом.

·        выбор вида размещения фотографий и формат публикации будущего альбома (swf, html);

·        добавление фотографий;

·        публикация.

Ограничены возможности по сравнению с Flash Slide Show Maker в выборе элементов декора для фотографий.

3  СИСТЕМНЫЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ КОГНИТИВНЫХ FLASH–АЛЬБОМОВ. РЕАЛИЗАЦИЯ ИНТЕРАКТИВНЫХ КОГНИТИВНЫХ FLASH–АЛЬБОМОВ В ИНТЕРНЕТ

Рассматриваются вопросы разработки Flash–альбомов, а также реализация интерактивных Flash–альбомов в Интернет. Проанализированы технологии и сферы их применения: Flash, ActionScript, HTML, Java.

Виды единиц информации (информационные кадры):

·        изображение (полноцветная фотография, схема, рисунок, таблица, диаграмма);

·        текст;

·        HTML-страница;

·        анимация;

·        видео;

·        аудио;

·        комбинированная информация.

Количество типов информации ограничивается только возможностью поддержки каждого конкретного формата файла технологией Flash [8].

Пример сферы использования (информационные альбомы, наборы):

·        галереи изображений (фотоальбомы);

·        лекции, методические указания, учебные пособия;

·        электронные on-line презентации.

WEB-приложение имеет три слоя:

·        слой владельца информации (администратор собственной информации, активного пользователя, например преподавателя);

·        слой рядового пользователя (пассивного, например студента);

·        слой супер-пользователя (администратор всех владельцев).

Рис. 3  Структура взаимодействия компонентов системы

Каждый пользователь может стать администратором своих информационных “альбомов”, наборов, владельцами которых он является.

Пользователь, войдя в систему, может зарегистрироваться. Персональный логин (имя) и пароль пользователя хранятся в базе данных на стороне сервера.

Владелец создаёт новый информационный набор (альбом). После этого пользователь может загрузить в хранилище на сторону сервера необходимые файлы. При этом пользователь становится администратором информационных альбомов, которые он создал. Он может редактировать их содержимое, т.е. менять файлы. Менять порядок кадров, удалять кадры, удалять весь альбом. Владелец может иметь несколько альбомов.

Каждый добавленный альбом владелец может сделать общедоступным. Каждому альбому присваивается уникальное наименование.

На главной HTML-странице WEB-приложения пользователь системы видит flash-окно, в котором поочерёдно отображаются кадры информации из выбранного альбома. Навигация производится пользователем: предыдущий кадр, следующий кадр, в начало, в конец. Предусмотрен просмотр в автоматическом режиме кадров поочерёдно. В данном случае пользователем задаётся время просмотра каждого кадра.

Информация хранится в базе данных (например, MySQL) на серверной стороне. Java-приложение размещает файлы в базе данных. Каждый файл привязывается к определенному набору и его владельцу.

Flash и ActionScript:

·        интерактивный интерфейс;

·        навигация между информационными кадрами альбома;

·        графическая анимация при взаимодействии с пользователем.

Java:

·        web-приложение;

·        регистрация пользователей;

·        загрузка информационных кадров, т.е. файлов с пользовательского источника для хранения в серверной базе данных;

·        доступ и запросы к базе данных для извлечения в определённый момент  времени для flash-объекта требуемого информационного кадра;

·        поддержка логики работы системы.

Jakarta Tomcat:

·        позволяет “внешнему миру” при помощи Интернет через WEB-браузер обращаться по протоколу HTTP к сервлету (Java-приложению, выполняющемуся на стороне сервера в серверной Java Virtual Machine) [7];

·        программный сервер Java-приложений, т.е сервлет-контейнер.

Flash remoting:

·        вызов из Flash ActionScript внешних методов Java-классов приложения[8].

Проведен анализ разработки Flash-презентаций и презентаций, подготовленных с помощью PowerPoint. Выделены следующие преимущества Flash-презентаций:

·        возможность реализации интерактивной работы с пользователем;

·        исчезает необходимость использования лицензированного программного обеспечения.

ВЫВОДЫ

Таким образом, на основе анализа доступных на сегодня технологий сформулированы требования и осуществлен выбор прототипов для создания программного обеспечения, предназначенного для синтеза интерактивных альбомов, на основе которых можно будет существенно повысить уровень научных и учебных презентаций. 

Дидактический потенциал презентационной графики связан, в частности, с возможностью управления когнитивными процессами. Восприятие физических образов, отображаемых формулами, словами, пространственно-временными и чувственными картинами значительно облегчается, когда текстовая (словесная) информация сопровождается демонстрацией натурного эксперимента предъявлением подготовленной графики. Это способствует осознанию изучаемого материала и, как следствие, к адекватному запоминанию выделенных логических схем, связей и отношений. Эти обстоятельства способствуют продуктивности мыслительных процессов при дальнейшем решении задач.

Когнитивно-компьютерно-графическая технология не есть всего лишь очередное новое техническое средство, с помощью которого ученый может рисовать научные абстракции. Это скорее уникальный по своей мощности и креативным (порождающим) возможностям канал связи человека с миром научных абстракций.

Графика выступает в роли иллюстративной графики, способствуя лучшему пониманию процессов. Когнитивная компьютерная графика требует творческого подхода к использованию ранее полученного комплекса знаний.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Зенкин А.А. Когнитивная компьютерная графика/ Под ред. Д.А. Поспелова, Наука, Москва, 1991.

2.     Зенкин А.А., Знание-порождающие технологии когнитивной реальности. - Новости Искусственного Интеллекта, 1996, No. 2, стр. 72-78.

3.     Зенкин Александр А., Зенкин Антон А., Интеллектуальные системы, основанные на концепции когнитивной компьютерной графики. - Международная конференция "Анализ систем на пороге XXI века", Москва, 27-29 февраля, 1996 г. - Труды конференции, том 3, стр. 357-371 (1997) - Москва : "Интеллект", 1997.

4.     Соловов А.В. Проектирование компьютерных систем учебного назначения: Учебное пособие, СГАУ, Самара, 1995.

5.     Соловов А.В. Когнитивная компьютерная графика в инженерной подготовке, Журнал "Высшее образование в России", МГУП, Москва, 1998, № 2, с. 90-96.

6.     Поспелов Д.А. Фантазия или Наука. На пути к искусственному интеллекту, Наука, Москва, 1982.

7.     Брюс Эккель. Философия Java. 3-е издание, 2003.-976c.

8.     Шон Пакнелл. Macromedia Flash 8 для профессионалов: «Вильямс» 2006.-665с.