Источник: Сборник материалов научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых — Донецк, 2011 г.

---

Система дистанционного обучения (СДО) — новое средство организации образовательного процесса, базирующееся на принципе самостоятельного обучения студента. Основной сущностью, материалом, которым манипулируют СДО, является контент. Под контентом (англ. content) принято понимать любое содержательное наполнение информационного ресурса — тексты, графика, мультимедиа. В Web-сайтах для конечного пользователя контент организуется в виде страниц средствами гипертекстовой разметки. Учебный Web-контент — это контент образовательных сайтов, порталов дистанционного обучения и других Интернет-систем, использующиеся для передачи знаний пользователям.
Актуальность проблемы заключается в том, что классические системы дистанционного обучения, такие как Blackboard, LearningSpace, WebCT, Moodle и др., не способны обеспечить адаптивность процесса обучения, который является одним из ключевых требований непрерывного образования [4]. В связи с этим необходимо разработать модель контента, которая станет основой для построения адаптивной системы непрерывного обучения. Возникает вопрос с выбором модели представления данных в таких системах.
Рассмотрим модели представления данных. Модель данных представляет собой множество структур данных и взаимосвязи между ними. Различают иерархическую, сетевую и реляционную модели данных [1].
В иерархической модели данные представляются в виде древовидной (иерархической) структуры. Дерево представляет собой иерархию элементов, называемых узлами. Под элементами понимается совокупность атрибутов, описывающих объекты. В модели имеется корневой узел (корень дерева), который находится на самом верхнем уровне и не имеет узлов, стоящих выше него. К достоинствам иерархической модели данных относятся эффективное использование памяти ЭВМ и неплохие показатели времени выполнения операций над данными. Недостатком иерархической модели является ее громоздкость для обработки информации с достаточно сложными логическими связями [2]. Непосредственный доступ возможен лишь к объекту самого высокого уровня, а к другим объектам доступ осуществляется только по связям от объекта на вершине модели [1].
Сетевая модель (или семантическая сеть) в инженерии знаний представляется направленным графом, узлы которого соответствуют понятиям и объектам, а дуги — отношениям между ними. В сетевых моделях непосредственный доступ обеспечивается к любому объекту независимо от уровня его расположения в модели, а также по связям к другим объектам. Основное достоинство семантической сети — это универсальность и удобство представления как декларативных, так и процедурных знаний. Имеют место и два недостатка:
- громоздкость и сложность построения и изменения большой сети;
- потребность в значительном количестве и разнообразии процедур обработки, связанная с различными типами дуг и вершин.
Несмотря на присущие этой модели недостатки, она является одой из наиболее эффективных моделей представления знаний [1].
Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Любая таблица реляционной базы данных состоит из строк (называемых также записями) и столбцов (называемых также полями). Достоинство реляционной модели данных заключается в простоте, понятности и удобстве физической реализации на ЭВМ. К основным недостаткам реляционной модели относятся отсутствие стандартных средств идентификации отдельных записей и сложность описания иерархических и сетевых связей [2].
Постановка задачи
Задача: разработка модели Web-контента, который станет основой для построения адаптивной системы непрерывного обучения через Интернет в контексте управления знаниями.
Модель должна удовлетворять следующим требованиям:
- иерархическое и многоуровневое представление больших объемов контента по раз-ным предметным областям;
- поддержка межпредметных и разнообразных внутрипредметные связей;
- наличие широких возможностей в тематическом и ассоциативном группировке и сортировке контента;
- поддержка эволюционного развития образовательного портала как необходимая составляющая в условиях «информационного взрыва», доступность функциональности даже при условии неполного описания;
- повторное использование контента и организация новых учебных курсов на основе существующей информации;
- поддержка процесса управления знаниями в процессе непрерывного обучения.

Решение задачи и результаты исследований
Исходя из постановки задачи, а также учитывая тот факт, что СДО включает данные различных типов, возникает необходимость совмещения моделей представления знаний различных концепций, так как основные модели данных, в силу своих ограничений, не в полной мере удовлетворяют выдвинутым требованиям.
В ходе исследований была рассмотрена статья [3], предлагающая модель учебного контента Tree-Net как альтернативное решение существующей проблемы.
Tree-Net — иерархически сетевая модель данных, которая является основой для формализации и структурирования информации образовательных порталов для поддержки непрерывного обучения, представляет собой совокупность двух иерархических структур - дерева элементов контента и дерева тематических групп (рис. 1,2).
Структура Tree-net с одной стороны является иерархической, а с другой имеет черты семантической сети. Между элементами контента могут устанавливаться бинарные связи, что позволяет, кроме иерархии, связать контент в сеть на основе ассоциативности.
Дерево контента указывает на физическое расположение контента, это основная навигационная модель контента сайта. Задача дерева тематических групп — подать иерархию тем предметных областей. Элементы контента могут быть отнесены к одной или более тематическим группам. Таким образом, Tree-Net обеспечивает как общее структурирование Web-контента образовательного портала, так и представление его семантики, благодаря моделированию предметных областей [3].

В рассмотренной модели существует недостаток, заключающийся в жесткой семантике в пределах одной предметной области. Для решения данной проблемы с помощью теории нечетких множеств существует возможность отнесения элемента контента к той или иной тематической группе с определенной долей вероятности. Для этого подробнее рассмотрим понятие «тематической группы» и способ представления контента с использованием теории нечетких множеств.
Тематические группы предназначены для организации разнообразных межпредметных и внутрипредметные связей между элементами контента. Тематические группы используются для моделирования предметных областей, каталогизации, группировки и выборки ассоциативного контента. Организация тематических групп происходит в иерархической структуре. Это позволяет выстраивать таксономии предметных областей. Каждый элемент контента может принимать участие в произвольном количестве тематических групп, на основе которых определяются связи ассоциативности между элементами контента [3]. Множество G указывает на тематические или ассоциативные группы, в которых могут участвовать элементы контента.

(1)

где nG — количество тематических групп контента.
Простейшим элементом контента является представление (v_i), которое соответствует одной Web-странице сайта. Заметим, что задачей Web-страницы является представление логически завершенной порции контента с точки зрения ее сущности, тогда как основные настройки визуального оформления задаются централизованно для всего портала с помощью соответствующих Web-технологий. Множество всех элементов контента

(2)

Каждый элемент контента может принимать участие в произвольном количестве тематических групп с вероятностью попадания элемента в ту или иную тематическую группу. Применим теорию нечетких множеств для представления множества G тематических групп:

(3)

где — функция принадлежности, которая ставит в соответствие каждому элементу контента v_j, принимающее участие в тематической группе g_i, некоторое действительное число из [0,1].
Матрица задает это отношение, вместе с тем сохраняя степень соответствия или релевантности данного элемента группе. Так, столбцы матрицы соответствуют элементам контента v₁, v₂, ..., v_n, а строки - группам g₁, g₂, ..., g_m. Таким образом для каждого элемента v_j задается множество групп {g_i} , в которых данный элемент участвует, при этом ненулевые элементы матрицы указывают на степень соответствия элемента группе с некоторой вероятностью.
Организация тематических групп происходит в иерархической структуре. Иерархия групп определяется отражением, которое ставит в соответствие каждой группе g_i множество ее дочерних элементов. Заметим, что каждая тематическая группа может иметь только одну родителейскую группу.
Иерархически сетевая модель данных Tree-Net является основой формализации и структуризации информации Интернет-систем, в том числе для образовательных порталов. Опишем иерархическую составляющую структуры контента Tree-Net-модели.
Иерархическая структура контента определяется тем, что каждый элемент может иметь дочерние элементы, которые, в свою очередь, также могут иметь дочерние элементы, и так далее.

(4)

Множество непосредственных дочерних элементов для данного элемента контента а обозначается

(5)

Сетевая структура контента состоит в том, что каждый элемент, кроме связей иерархии, может иметь дополнительные связи с другими элементами. Семантическая роль таких сетевых связей - отношение ассоциативности. Таким образом, каждый элемент имеет совокупность связанных с ним элементов. Такая сетевая структура задается отношением

(6)

Данное отношение задается квадратной (n_V * n_V) матрицей строки и столбцы которой, соответствуют элементам контента. Элемент матрицы — числовое выражение связи элементов v_i и v_j. Если = 0, считаем, что связь между v_i с v_j отсутствует, .

(7)

Элемент v может иметь прямые, обратные и взаимные связи с другими элементами. При этом взаимосвязь может быть симметричной. Прямая связь элементов v_k и v_l существует, если (v_k, v_l) N. Обратная связь этих элементов существует, если (v_l, v_k) N. Взаимосвязь элементов v_k и v_l существует, если (v_k, v_l) N & (v_l, v_k) N. Взаимосвязь этих элементов является симметричной, если элементы матрицы равны.

Выводы
В статье рассмотрены модели данных для организации СДО, выделены основные их преимущества и недостатки. На основе модели учебного Web-контента Tree-Net, которая совмещает в себе свойства иерархической и сетевой моделей данных, предложена модификация метода разбиения контента на тематические множества. Предложенная модель позволит комплексно подойти к решению задач обучения и управления знаниями в организациях и учреждениях различного характера. Семантическая составляющая и дерево тематических групп дает возможность построения иерархии предметных областей.
Иерархические, бинарные и групповые связи между элементами контента соответствующим образом отражаются на элементах навигации. Таким образом, пользователь получает широкие возможности для ориентации и поиска необходимой ему учебной информации и объяснений.
Выбранная модель может стать основой для разработки методов генерации персональной обучающей среды.

Литература

1. 1. Модели решения функциональных и вычислительных задач / Интернет-ресурс. - Режим доступа: www/ URL: http://www.scriru.com/14/27/22766286737.php. - Загл. с экрана.
2. 2. Модели представления данных. Иерархическая, сетевая, реляционная модели данных. / Интернет-ресурс. - Режим доступа: www/ URL: http://www.dmtsoft.ru/bn/105/as/oneaticleshablon. - Загл. с экрана.
3. 3. Титенко С.В., Гагарін О.О. Формування навчального контенту на основі моделі даних Tree-Net // Матеріали Всеукраїнської науково-технічної конференції "Комп'ютерна математика в інженерії, науці та освіті" (CMSEE-2007), м. Полтава, 28-30 листопада 2007 р. - Полтава: Вид-во ПолНТУ, 2007 - 42с.
4. 4. Гагарін О.О., Титенко С.В. Дослідження і аналіз методів та моделей інтелектуальних систем безперервного навчання // Наукові вісті НТУУ "КПІ". – 2007. – № 6(56). – С. 37-48.