Розробка преспособлений игрового обучения

 

5. Базы данных

 

База учебных планов содержит в себе расписание уроков, детали по каждому уроку такие, как: ссылки на вопросы и задания, используемые на уроке; сценарии игр, которые будут проводиться на уроке и т.д.

База онтологий предметных областей хранит онтологии предметных областей с их образовательной частью (вопросы и ответы), которая хранится в виде двух отдельных таблиц.

Еще одна база данных используется для того, что бы показать, какие  знания по конкретной предметной области  ученик уже освоил. То есть, если предметную область отобразить в виде графа, то в этой базе будут отмечены изученные  понятия.

Четвертая база данных используется для хранения результатов учащихся по разнообразным играм и тестам, посещаемость, успеваемость, достижения и прочее.

6. Модуль импорта/экспорта OWL-онтологий в базу данных

 

Как правило, онтологии хранятся в текстовых документах. Это ограничивает размер самих онтологий, негативно  сказывается на производительности приложений, работающих с ними, поскольку  онтологию приходится постоянно  хранить в памяти. При работе с  большими онтологиями, внесение незначительных изменений может занять значительное время.

Предлагаемым решением данной проблемы является хранение онтологий  с помощью систем управления базами данных. При этом обязательным требованием  является возможность импорта онтологии  из owl-файла в базу данных и ее экспорта из базы данных  в owl-файл.

При реализации данного модуля нужно учитывать следующие свойства онтологий. В онтологиях знания формализуются  в виде описаний предметной области  с помощью иерархии классов. Для  каждого класса задается свой набор  свойств и объектов. Свойства в  онтологиях имеют область определения  – класс, для которого задается это  свойство, а также область значений. В зависимости от областей значений свойства делятся на два типа: т-свойства (значениями которых являются константы  заданного типа данных) и о-свойства (значениями которых являются объекты заданного класса). На рис.7 представленаER-диаграмма структуры базы данных для хранения онтологий.

Рис. 7: ER-диаграмма базы данных хранения онтологий

Поскольку взаимодействие с  owl-файлами происходит за счет библиотеки OWLDotNetAPI, стоит учитывать особенности структуры, в которой она хранит онтологии. Вся онтология представляет собой направленный граф, состоящий из узлов и связей между этими узлами. Узлы могут быть либо простыми, представляющими класс или тип объекта, либо литералами, обозначающими простой тип, вроде integerили string, либо коллекцией, состоящей из обычных узлов.

Рис. 8. Интерфейс программы просмотра онтологий

Сначала в базу записывается название онтологии, затем все используемые пространства имен. Далее с онтологии  считываются все узлы, определяются их типы, и в базу записывается идентификатор  узла, его название и тип. Потом  идет запись всех литералов. Далее идет проход по всем связям графа для  того, что бы найти коллекции, а  потом и узлы, которые относятся  к этим коллекциям. В конце записываются все связи графа, и узлы связанные  этими связями. Вопросы и ответы, относящиеся к понятиям, хотя и  являются частью онтологии, записываются в отдельные таблицы.

Такой подход позволит обращаться к конкретным узлам онтологий, не прибегая к полной загрузке онтологии  в память компьютера. Это значительно увеличивает скорость работы с ними, экономит ресурсы компьютера. При этом сохраняется совместимость с форматом хранения онтологий OWL.

Когда онтология импортирована  в базу, можно просмотреть ее образовательную  часть с помощью специального модуля. Он показывает все понятия, имеющиеся в онтологии. При выборе конкретного понятия, в окне свойств  показывается небольшая информация о нем (название, описание, автор  и т.д.). Так же показываются все  вопросы, связанные с выбранным  понятием. Вопросы можно просматривать, добавлять, удалять, редактировать.

7. Программа обучения и тестирования

 

Программа обучения и тестирования состоит из двух модулей. Первый является сервером, принимает подключения от клиентов и взаимодействует с базой данных. Он предоставляет пользователям возможности по управлению пользователями, учащимися, уроками, игровыми режимами и их наполнением, запуском игр, предоставляет разнообразные статистические данные.

Второй модуль является клиентом и предназначен для учеников. Его  основными функциями является запуск обучающих игр или тестов для  прохождения их учащимися.

Обмен данными между сервером и клиентами обеспечивается за счет небольшого числа классов и методов, реализованных в виде библиотеки Networker.Три основных ее класса это:

1. Networker.
2. Packet.
3. Client.

Networker - это основной класс, который используется для запуска сервера или клиента, отправки и приема пакетов. Весь обмен данными идет в асинхронном режиме, что бы не блокировать программу и другие подключения, и избавится от длительных ожиданий ответов на запросы и выполнения команд.

При запуске сервера, он создает  новый сокет и слушает входящие подключения на всех интерфейсах. Входным  параметром функции запуска является функция, которая будет принимать  все входящие сообщения. При запуске  клиента дополнительно следует  указать IP-адрес сервера, к которому будет подключаться клиент.

Класс Packet описывает пакет данных, который пересылается по сети. Его конструктор принимает два параметра. Первый – это действие, которое нужно выполнить, например, авторизовать пользователя, передать вопрос, запустить игру.Они содержаться в перечислении NetworkAction.

Второй – это объект, который нужно передать. Обязательным условием является объявление класса передаваемого объекта, а так  же всех его внутренних классов и  структур, как [Serializable]. Это нужно для того, что бы Packetсмог сериализировать его в поток байтов при передаче и десериализировать обратно в объект при получении.

Рис. 9. Диаграмма классов библиотеки Networkerk

Класс Clientпредставляет клиента, подключенного к серверу. У него всего два поля. Это сокет, через который он подключен, и массив данных, которые он получает. При подключении клиента к серверу, последний создает новый объект класса Client и добавляет его в список подключенных клиентов. После этого сервер может принимать входящие сообщения от клиентов, или отправлять им информацию.

1. Серверный модуль

 

Серверный модуль является одним из основных модулей системы  игрового обучения. Он предоставляет  пользователям возможности учета  пользователей, управлением расписанием  уроков, управления уроками и их содержимым, обслуживает клиентские подключения.

В серверном модуле есть три  вида пользователей, которые  отличаются предоставленными им правами  доступа и функциональными возможностями. Это администратор, учитель и  ученик.

Администратор может управлять  учителями и учениками: добавлять, удалять, редактировать. Так же имеет  доступом ко всему функционалу, предоставляемому программой.

Учитель имеет меньше прав, чем администратор. Он может принимать  заявки учеников на регистрацию, удалять  пользователей, редактировать их профили, управлять темами, уроками, их наполнением, проводить уроки или различные  игры.

Ученик обладает самыми ограниченными  возможностями. Он может подавать заявки на регистрацию, редактировать свои личные данные, проходить игры и  задания, предоставляемые учителем, просматривать результаты обучения (свои или других учеников).

Рис. 10. Форма подготовки и проведения обучающей  игры

Одной из основных функций серверного модуля является подготовка вопросов для тестов или игр, передача этих вопросов клиентам (ученикам) и контроль проводимых игр. На рис. 10 показан форма  подготовки игры к проведению. Здесь показаны вопросы, выбранные для игры, и все подключённые клиенты.

Когда все клиенты ученики  готовы, учитель запускает игру, и все вопросы рассылаются  клиентским программам. После передачи вопросов фиксируется начало игры. Когда все ученики заканчивают  прохождение заданий, в базу результатов  записываются все их результаты, которые  далее можно использовать для мониторинга знаний учеников.

2. Клиентский модуль

 

Клиентский модуль дает доступ только ученикам. Его главной функцией является предоставление ученикам обучающих игр для прохождения. Главное окно предоставляет возможности по авторизации/выходу пользователей, прохождению игр и отображению статистических данных или данных о пользователях.

При запуске приложение автоматически подключается к серверу. После того, как все ученики подключились, и учитель отправил задания, начинается игра (рис. 11).

Рис. 11. Пример проведения обучающей игры

 

 

Выводы

 

В данной работе были исследованы методы активного обучения, в частности, игровые. Предоставлена классификация игровых методов по разнообразным критериям.

На основе этой классификации  сформулированы требования, согласно которым были выбраны игровые  сценарии проведения занятий на компьютерных практикумах.

Было изучено понятие онтологий, их виды и классификации, средства описания.

Сделан вывод, что из существующих стандартов, язык описания онтологий OWL является одной из самых последних разработок, и предоставляет широкие возможности по описанию сущностей и взаимосвязей между ними в онтологиях.

На основе изученных материалов была разработана архитектура системы игрового обучения с использованием онтологии предметной области.

Предложен способ внедрения в онтологии предметных областей образовательного раздела как источника знаний для различных игровых сценариев.

Разработана структура базы данных (БД)  для динамичного пользования образовательным разделом онтологии средствами игрового обучения.

Разработан модуль импорта/экспорта в БД онтологии OWL-формата.

Реализованы программные модули для реализации сценариев нескольких учебных игр, мониторинга и контроля знаний учеников.

Проведенные исследования и  разработки позволяют реализовать  дополнительные к существующим системам дистанционного образования модули получения (сохранения) знаний из (в) онтологий предметных областей.

Если рассматривать онтологию  предметной области, как формализованное отражение знаний в этой области, тогда привязка средств образовательного процесса к онтологии предметной области может обеспечить постоянную синхронизацию и  актуализацию содержимого образовательного процесса.

 

 

 

Список литературы

 

1. Болотова Т.П., Методы активного обучения и их использование в учебном процессе в высшей школе;
2. Научно - педагогические качества преподавателей в оценках студентов МГИМО. – Режим доступа: http://www.politology.vuzlib.net/book_o033_page_10.html. – Дата доступа: 15.05.10. – Название с экрана.
3. Почему студенты сачкуют? – Режим доступа:http://www.studportal.net.ua/page.php?al=poch-emu_studenty_sachkuj; - Дата  доступа: 15.05.10 – Название с экрана.
4. сайт Advanced Distributed Learning , описание стандарта SCORM; - Режим доступа: http://www.adlnet.gov/Technologies/scorm/default.aspx–Дата доступа: 15.05.10. – Названиес экрана.
5. Селевко Г.К. Современные образовательные технологии: Учебное пособие. / Селевко Г.К. – М.: Народное образование, 1998; - 34 стр., 54стр.
6. Корнеева Е.Н., Активные методы социально-психологического обучения. Учебное пособие./ Корнеева Е.Н. - 2009
7. Кругликов В.Н. Активное обучение в техническом вузе (теоретико-методологический аспект) // Кругликов В.Н.  – Санкт-Петербург, 2000;
8. Кузнецова В.И., Игровая деятельность как средство обучения. / Кузнецова В.И.
9. Новиков А.М., Методология игровой деятельности./ Новиков А.М. – М.: Издательство «Эгвес», 2006.
10. Thomas R. Gruber, “Toward Principles for the Design of Ontologies Used for Knowledge Sharing” –Режим доступа: http://tomgruber.org/writing/onto-design.pdf. – Дата доступа: 15.05.10; - Название с экрана.
11. сайт World Wide Web Consortium – Режим доступа: http://www.w3.org/. – Дата доступа: 15.05.10. – Название с экрана.
12. “What are the differences between a vocabulary, a taxonomy, a thesaurus, an ontology, and a meta-model?” –Режим доступа: http://infogrid.org/wiki/Reference/PidcockArticle. – Дата доступа: 17.05.10. – Название с экрана.
13. «Онтологии и тезаурусы: модели, инструменты, приложения», - Режим доступа: - http://www.intuit.ru/department/expert/ontoth/. – Дата доступа: 20.05.10 – Название с экрана.
14. OWL, язык веб-онтологий. Краткий обзор – Режим доступа: http://www.sherdim.rsu.ru/pts/semantic_web/REC-owl-features-20040210_ru.html – Дата доступа: 23.05.10 – Название с экрана.
15. Matthew Horridge A Practical Guide To Building OWL Ontologies Using Protege 4 and CO-ODE Tools, Edition 1.2. / Matthew Horridge – 2009.
16. Cui Guangzuo, Chen Fei, Chen Hu, Li Shufang “OntoEdu: A Case Study of Ontology-based Education Grid System for E-Learning” / Cui Guangzuo, Chen Fei, Chen Hu, Li Shufang
17. сайт программы Rapid Intake – Режим доступа: http://www.rapidintake.com/. – Дата доступа: 18.05.10 – Название с экрана.
18. Professor Angela McFarlane, Anne Sparrow hawk, Ysanne Heald Report on the educational use of games. / Professor Angela McFarlane, Anne Sparrowhawk, YsanneHeald– 2002.
19. Vladan Devedžić Web Intelligence and Artificial Intelligence in Education. / Vladan Devedžić
20. Chakkrit Snae and Michael Brueckner Ontology-Driven E-Learning System Based on Roles and Activities for Thai Learning Environment. / Chakkrit Snae and Michael Brueckner