Перевод статьи
Kiyoshi NAKABAYASHI, Mina MARUYAMA, Yoshimasa
KOIKE, Yasuhisa KATO, Hirofumi TOUHEI, Yoshimi FUKUHARA, Architecture of an
Intelligent Tutoring System on the WWW, Proceedings of the 8th World Conference
on Artificial Intelligence in Education – Knowledge and Media in Learning
Systems (AI-ED’97), Kobe, Japan, 1997.
Переводчик:
Сосновский С.А.
Архитектура ИОС, реализованной в WWW
Аннотация
Эта работа представляет архитектуру Интеллектуальной Обучающей Системы (ИОС), основанной на WWW, - CALAT. При использовании обычного WWW-браузера обучаемый получает доступ в качестве клиента к CALAT-серверу, обеспечивающему возможность индивидуальной адаптации. Ядро ИОС находится на CALAT-сервере, использующем трафаретную модель, представляющую страницы автоматизированного учебного курса (АУК) таким образом, что обучаемый может выполнять сложные цели изучения, иерархически состоящие из подцелей. В электронном учебном курсе CALAT доступны три типа страниц: объяснение, упражнение и моделирование. Страница объяснения, представляет материал, соответствующий подцелям изучения декларативных знаний. В них может быть использован любой вид данных, доступный с помощью HTML, включая чистый текст, графику, звук, JAVA-аплеты и/или внедряемые приложения. В качестве страниц объяснения кроме того возможно использование HTML-данных, находящихся на другом WWW-сервере. Страницы упражнения представляют собой динамически генерируемые HTML-формы с консультативным блоком информации. Возможны три типа вопросов: «Да/Нет», «выбор» и «описание». Все вопросы связаны с подцелями изучения. Ответы на них анализируются для модернизации модели обучаемого. Страница моделирования обеспечивает интерактивное моделирование среды обучаемого для получения процедуральных знаний с помощью заданной (смоделированной) системы. Среда моделирования реализуется комбинацией специальных анимационных программ на клиенте и машиной переходов (из одного состояния в другое) на сервере. Машина переходов отвечает за контроль поведения заданной системы, а также за проверку действий обучаемого через сеть. Отображаемые результаты также используются для модернизации модели обучаемого. Так как система CALAT спроектирована для полного использования ресурсов WWW, то предпочтительно, что ее архитектура - модульная. Используя выгоды такой модульности следующие расширение CALAT рассматривается как компонентная ИОС.
1. Вступление
Уже общепринятым становится использование WWW-систем [1] в Internet или intranet, не только в качестве мультимедийного гипертекста, но и как инфраструктуры сетевых информационных систем. При таких обстоятельствах естественно использовать WWW для образовательных или тренировочных целей. С помощью WWW обучаемый получает в качестве платформы обучения доступ к мультимедийному АУК с помощью обычного браузера. Не нужно никаких специальных средств, чтобы начать обучение. Для поставщика АУК нет необходимости беспокоится о распространении и эксплуатации копий АУК, его волнует лишь оригинал на его сервере.
WWW, однако, обеспечивает только пассивный и статичный гипертекст без возможности индивидуальной адаптации. Для построения не статичного учебника, а интерактивной среды обучения, необходимо расширить структуру WWW таким образом, чтобы появилась возможность руководить обучаемыми, принимая во внимание его способности к усвоению, область его интересов и т.д.
Одним из возможных решений в этом направлении является переписывание АУК ИОС через WWW. В этом случае все логические маршруты будут проложены на клиенте, и очень сложно будет проверять прогресс каждого обучаемого. Другой возможностью является обеспечение логики индивидуальной адаптации на WWW-сервере. Существует несколько предложений по реализации такой схемы. Некоторые из них используют модификацию обычной HTML-логики [2], или интерактивные анимационные программы [3]. Некоторые задействуют на сервере всю логику ИОС[4].
Мы представляем CALAT [5,6] - ИОС, основанную на WWW. Основной частью этой системы является WWW-сервер, представляющий собой обучающую систему CAIRNEY [7,8], разработанную как самостоятельная ИОС, с удобной в использовании авторской системой. Механизм идентификации пользователя, воплощенный в системе CALAT, дает клиенту возможность индивидуальной адаптации с помощью стандартного WWW-браузера и WWW-протокола.
После некоторых усовершенствований и модернизаций в настоящее время функционируют уже несколько модификаций CALAT-сервера. Эта работа описывает архитектуру и реализацию последней версии CALAT. В АУК CALAT существует три типа страниц: объяснение, упражнение и моделирование; каждая из которых связана с подцелью изучения. Страницы объяснения могут использовать любой вид HTML-данных, JAVA-аплеты и/или внедряемые приложения. Возможно использование HTML-данных, принадлежащих другому WWW-серверу. Страница упражнения представляет собой динамически генерируемую HTML-форму, используемую для анализа уровня понимания обучаемого. Страница моделирования помогает обучаемому овладевать процедуральными знаниями с помощью заданной (смоделированной) системы, представленной как машина переходов (из одного состояния в другое).
Как уже упоминалось, устройство системы CALAT проектировалось таким образом, чтобы максимально использовать WWW-стандарт, в связи с этим предпочтительно, что ее архитектура - модульная. В качестве дальнейшего расширения, использующего выгодны модульной архитектуры, рассматриваются компонентные ИОС, вызывающие сейчас всеобщий интерес[9].
В следующем разделе в общих чертах объясняется архитектура CALAT. Затем в деталях описывается последняя реализация. В самом конце обсуждаются намеченные усовершенствования.
2. Обзор Системы
Архитектура CALAT является расширением традиционной WWW-системы, изображенной на рисунке1. Она спроектирована для обеспечения возможности индивидуальной адаптации с полным использованием существующих WWW-протоколов и браузеров [5].
WWW-браузер WWW браузер
· · · · · · · · · · · ·
WWW-демон (httpd)
Рисунок 1. Архитектура CALAT
CALAT-сервер состоит из процесса обработки WWW-демонов (программ с запуском по условию) и конечных ИОС-процессов. Для обслуживания одного обучаемого запускается один ИОС-процесс. Механизм идентификации пользователя введен для поддержания соответствия между ИОС-процессом и обучаемым через WWW-протокол. Когда с сервера поступает инициализация командной кнопки CALAT, механизм преобразует все URL-ссылки в команды, содержащие кодовое имя обучаемого. Когда обучаемый кликает по этим URL-ссылкам, механизм пересылает связанные с ними команды ИОС-процессу, отвечающему за обучаемого, в соответствии с кодовым именем в URL.
ИОС-процесс в CALAT реализует педагогическую логику, отводя главную роль возможности индивидуальной адаптации, что позволяет представлять страницы АУК, динамически учитывая уровень усвоения обучаемого. Для достижения этой возможности ИОС-процесс включает в себя трафаретную модель обучаемого и Экспертную Обучающую Систему. Она управляет АУК, содержащим древовидные (состоящие из подцелей) цели изучения и страницы, связанные с этими целями (рисунок 2). Существует три типа страниц АУК: объяснение, упражнение и моделирование. В соответствии с уровнем понимания обучаемого и достигнутыми целями изучения, выбранными в течение упражнения и моделирования, ИОС-процесс определяет очередную последовательность демонстрируемых страниц объяснения. Например, если результат упражнения настолько хорош, что процесс считает уровень понимания обучаемого высоким, то на следующей цели изучения он показывает обучаемому страницы с кратким объяснением. Другой пример: если процесс считает, что обязательная цель изучения не пройдена, он переходит в стадию исправления, со страницами, содержащими подробные объяснения по данной теме.
АУК системы CALAT генерируется специальной авторской подсистемой. С помощью авторской системы АУК может быть спроектирован простым определением взаимозависимостей между целями изучения и связями между целями изучения и страницами объяснения, упражнения и моделирования.
Рисунок 2. ИОС-процесс и страницы АУК
3. Подробности реализации
В предыдущем разделе обсуждалось три типа страниц АУК (объяснение, упражнение и моделирование), реализованные с помощью особых механизмов, характеризующих CALAT как ИОС, доступную с помощью WWW. Эти механизмы описаны в следующих подразделах.
3.1. Страница объяснения
Страница объяснения демонстрирует материал, описывающий или объясняющий подцели изучения декларативных знаний АУК. В качестве страниц объяснения в CALAT допускается использование любого типа HTML-данных, включая чистый текст, графику, звук, JAVA-апплеты и/или внедряемые приложения, такие как VRML и Shoсkwave. В настоящее время в качестве страниц объяснения возможно использование HTML-данных, выбранных по URL. Это означает, что любые HTML-данные, находящиеся на другом WWW-сервере, могут быть включены как часть АУК.
Механизм показан на рисунке 3. Подцель АУК связана с URL, указывающей на страницу объяснения, которая может находиться на другом сервере, нежели CALAT. Когда обучаемый посылает запрос, CALAT-сервер устанавливает подцель объяснения в соответствии с педагогической логикой, а затем отвечает, определяя с помощью JAVA-script состояние командной кнопки CALAT и процедуру для доступа к странице объяснения, связанной с URL. WWW-браузер на клиенте выполняет процедуру вывода на экран страницы объяснения. Рисунок 4 демонстрирует пример страниц объяснения, являющийся частью АУК по истории президентских выборов в США.
HTML
Page
Рисунок 3. Страница
объяснения на другом WWW-сервере
Рисунок 4. Обычный экран
3.2.Упражнение
Страница упражнения обеспечивает проверку уровня понимания обучаемого. Могут быть использованы три типа вопросов: «Да/Нет», «выбор» и «описание». Страница упражнения представляет собой заполняемую HTML-форму, динамически генерируемую шаблоном упражнения (рисунок 5). Каждый вопрос в шаблоне упражнения связан с подцелью изучения.
Когда обучаемый предлагает форму, содержащую неверный ответ, ИОС-процесс модернизирует модель обучаемого, затем решает дать обучаемому еще одну возможность справиться с упражнением или руководит им, переходя на стадию исправления. Давая обучаемому возможность попытаться еще раз, форма содержит соответствующий консультативный блок информации. ИОС-процесс генерирует эту форму, преобразуя шаблон упражнения для отображения подцелей, достигнутых обучаемым.
Заполняемая HTML-форма Q1. – – [ ] – Q2. – [ ] – – Q3. – – – [ ]
Рисунок 5. Упражнение
3.3. Интерактивное Моделирование.
Интерактивное моделирование является очень важным средством, с помощью которого обучаемый приобретает процедуральные знания. В случае CALAT интерактивное моделирование связано с подцелями изучения.
Страница моделирования состоит из машины переходов (МП), запускаемой на сервере и специальной анимационной программы на клиенте [6] (рисунок 6). МП отображает поведение смоделированной (или заданной) системы. МП можно определить как совокупность состояний, где входное событие запускает переход (из одного состояния в другое), а выходные воздействия имеют место, когда какой-то переход завершается. Входное событие и выходное воздействие МП связаны с анимационной программой на клиенте.
МП также отвечает за контроль над действиями обучаемого. Каждое входное событие, возникающее вследствие действий обучаемого, сравнивается с допустимым действием. Когда достигнуто последнее состояние, результаты предаются ИОС-процессу для принятия решения, выполнил ли обучаемый цель изучения, связанную со страницей моделирования.
Анимационная программа на клиенте запускается как расширенный вьювер (программа просмотра графических файлов) или внедряемое приложение WWW-браузера. Она поддерживает объекты GUI (Graphic User Interface - Графический Интерфейс Пользователя), такие как кнопки или поля ввода данных, и продукты мультимедиа, такие как анимационные изображения или звуки. Нажатие обучаемым клавиши мыши или клавиатуры на этих объектах вызывает событие, попадающее на МП, формирующую выходное воздействие, которое изменяет цвет объектов, перерисовывает окна или запускает звуковое сопровождение. Передача всей информации между МП и анимационной программой реализована с помощью стандарта HTTP. Действие обучаемого пересылается с помощью HTTP-метода GET в виде строки запроса. Ответ МП, отображающий воздействие заданной системы посылается в виде мультимедиа-данных подходящего mime-типа.
Такая реализация помогает сделать среду моделирования легкоприменимой на мультиклиентской платформе, поскольку переносится будет только GUI-часть без МП. Однако, практический опыт показывает, что достаточной скорости реакции системы можно добиться лишь при соединении стандарта Т1; качество функционирования может пострадать на низкоскоростных сетях. Для обеспечения достаточного качества в таких условиях МП должна быть реализована на клиенте. Для этих целей будет использован платформенно независимый язык программирования, такой как JAVA.
Рисунок 6. Интерактивное Моделирование
4. Будущие усовершенствования
Архитектура CALAT, представленная в предыдущем разделе, несколькими путями может быть расширена до компонентной ИОС.
Одна возможность состоит в реализации более сложной интерактивной среды основанной на структуре текущего упражнения. За последнее время появилось множество средств разработки интерактивной мультимедиа, которая может быть использована как внедряемое приложение в WWW-браузерах. Интерактивная анимация, разработанная с помощью этих средств, гораздо привлекательнее и легче в использовании, чем применяемые сейчас для страниц упражнения заполняемые формы. Важным моментом является то, что интерфейс связи подцелей изучения и страниц упражнения уже определен. При интерактивной анимации результаты обучаемого могут пересылаться, с помощью того же самого протокола, что и при заполняемых HTML-формах. ИОС-процесс также может контролировать характер анимации, используя схему изменения текущего шаблона управления. Самому ИОС-процессу или структуре целей изучения изменения не требуются. Интерактивная анимация, определенная таким образом, может быть рассмотрена как активный компонент ИОС, связанный с некоторой учебной задачей, многократно используемой в другом АУК.
Другой возможностью является адаптивный гипертекстовый механизм, как расширение страницы объяснения. Текущая версия страницы объяснения не поддерживает оглавление и гипертекстовые ссылки внутри страницы. Перенаправляя ссылки на CALAT-сервер можно добиться контроля за поведением обучаемого и изменения гипертекстового пространства для отображения уровня обучаемого [10]. Такие страницы АУК, связанные с целями изучения, могут рассматриваться как многократно используемые учебные ресурсы, распространяемые посредством WWW-системы.
5. Заключение
Вам была представлена архитектура ИОС, доступной с помощью WWW, CALAT. В текущей версии АУК доступны три типа страниц: объяснение, упражнение и моделирование. При их реализации полностью использовались стандарты WWW. Будущая версия CALAT рассматривается как компонентная ИОС.
Данная система была внедрена в intranet нашей компании в качестве программы подготовки сотрудников. Существует несколько АУК для начального уровня обучения в области телекоммуникационных технологий, таких как ISDN или локальные сети. CALAT-сервер с несколькими АУК доступен через Internet по адресу http://calat.isl.ntt.co.jp/.
6.
Литература
[1]
Berners-Lee, T., et. al. (1994). The World-Wide Web. Communications of the ACM,
37(8), 76-82.
[2] Kay, J.
and Kummerfeld, R.J., (1994). An Individualized course for the C programming
language. Proceedings of the Second WWW Conference.
[3]
Ibrahim, B. and
[4]
Schwarz, E., Brusilovsky, P., and Weber, G. (1996) World-wide intelligent
textbooks. Proceedings of the the ED-MEDIA 96.
[5]
Nakabayashi, K., Koike, Y., Maruyama, M., Touhei, H., Ishiuchi, S., and
Fukuhara, Y. (1995). A distributed Intelligent-CAI System on the World-Wide
Web. Proceedings of the ICCE 95, 214-221.
[6]
Nakabayashi, Maruyama, M., K., Koike, Y., Fukuhara, Y., and Nakamura, Y.,
(1996). An Intelligent Tutoring System on the WWW Supporting Interactive
Simulation Environment with a Multimedia Viewer Control Mechanism. Proceedings
of the WebNet 96.
[7]
Fukuhara, Y., Kimura, F., Kohama, C., and Nakamura, Y. (1995). A
Knowledge-based Educational Environment Integrating Conceptual Knowledge and
Procedural Knowledge in Telecommunication Service Field. Proceedings of the
ED-MEDIA 95, 229-234.
[8]
Fukuhara, Y., and Kiyama, M. (1993). A Knowledge-based Educational Environment
for Real Business Settings. Proceedings of the World Conference on Artificial
Intelligence in Education.
[9] P1484
Working and Study Groups, http://ww2.readadp.com/p1484/.
[10]
Maruyama, M., Nakabayashi, K., Koike, Y., Fukuhara, Y. and Nakamura, Y.(1996).
An Approach to Implement Adaptive Hypermedia for an Intelligent Tutoring System
on the World-Wide Web. Proceedings of the ED-MEDIA 96, 373.