Реферат: Разработка образовательной среды для дистанционного обучения по дисциплинам Компьютерная графика и Системы искусственного интеллекта. Геометрические преобразования

Все современные концепции построения обучающих систем при их глу­боком, осмысленном представлении достаточно примитивны по своей сути. Если исключить из рассмотрения безусловно красивый, но для нас в данном случае совершенно неважный интерфейс, исключить обилие выводимого оцифрованного видеоизображения, звуковые эффекты и т. п., то большинство современных обучающих систем функционируют по приблизительно одной нехитрой стратегии.

Суть ее состоит в следующем: обучаемому предоставляется достаточно широкий информационный канал, по которому он получает информацию обу­чающего, а скорее познавательного характера. В данном случае обучаемому уготована роль стороннего наблюдателя за происходящим, что в совокупности с обилием выдаваемой информации приводит к тому, что постепенно человек запутывается в этом информационном потоке, либо что-то пытается усвоить и часто формирует у себя неверное представление о предмете, изучаемым таким образом.

Кроме того, даже в случае успешного запоминания обучаемым передан­ного материала вероятность того, что он сможет использовать его в дальней­шем без посторонней помощи достаточно невелика. Дело в том, что после вы­дачи всей обучающей информации большинство обучающих систем в лучшем случае проводит небольшое контрольное тестирование по теоретическим во­просам или стандартным задачам, описанным же в выдаваемой информации. Таким образом, получив достаточный объем обучающей информации, пусть даже в виде прекрасно подготовленного курса, по конкретной теме, обучаемый по окончании работы с системой не имеет достаточного практического опыта для применения на практике полученных знаний и дальнейшем ему могут по­надобится дополнительные практические занятия или непосредственные заня­тия с преподавателем - составителем учебного курса для системы дистанцион­ного образования, что в конечном итоге сводит на нет всю ценность разрабо­танной обучающей системы и ставит под сомнение смысл ее разработки.

Для устранения указанных недостатков в разработанной системе дистан­ционного образования изначально была заложена принципиально иная концеп­ция, в основном направленная на формирование у обучаемых достаточно хо­роших практических навыков по изучаемым курсам. Этой цели подчинены 75% режимов работы созданной системы.

Разработчиками сделана попытка заложить в разработанную систему не­которую универсальность путем определения в ней некоторого расширяемого небольшого набора примитивов: "текст", "рисунок", "трехмерная модель объ­екта", что позволяет достаточно легко перенастраивать систему на ряд "родст­венных" курсов, а при расширении количества примитивов расширяется спи­сок возможных дисциплин, которые могут быть заложены в систему. Очевид­но, что указанная универсальность довольно относительна и создать универ­сальную обучающую систему с широкими возможностями по привитию практического опыта если и возможно, то весьма проблематично.

В данном случае такой задачи и не ставилось, разработанная система из­начально предполагалась для дисциплин "Компьютерная графика" и "Системы искусственного интеллекта" а также для близких с ними дисциплин. Использо­вание одного и того же набора примитивов для создания курсов по указанным дисциплинам привело к тому, что при последовательном их изучении происхо­дит плавный переход от одной дисциплины к другой. Часть указанных прими­тивов имеет режим динамической работы с ними. Интерактивная работа с при­митивами более интересна обучаемому, нежели простое созерцание выдавае­мой информации по его чисто человеческой природе, что положительно сказы­вается на повышении эффективности обучения.

Кроме новизны самой концепции построения обучающей среды, в разра­ботанной системе заложен целый ряд новых подходов и методов, примени­тельно к конкретным рассматриваемым дисциплинам ("Компьютерная графи­ка" и "Системы искусственного интеллекта").

Геометрическая модель вводится как совокупность изменяемых и неиз­меняемых структур данных, однозначно определяющих моделируемый трех­мерный объект. Изменяемая компонента структур данных модели определяет привязку объекта к системе отсчета. Неизменяемая компонента определяет ха­рактеристики самого объекта с помощью топологических элементов и отноше­ний между ними. Изменяемая информация задается линейной списковой структурой дескриптором вершин 8(Х, У, 2), содержащим координаты каждой вершины. Неизменяемая информация представляется отношениями между то­пологическими элементами моделируемого объекта.

Получение искомого геометрического преобразования происходит по­средством накапливания элементарных преобразований в матрице результи­рующего преобразования при последовательном ее домножении на матрицы элементарных геометрических преобразований.

Опыт обучения вопросам геометрических преобразований показывает, что рассматриваемые в среде задачи, соответствующие алгоритмам геометри­ческих преобразований следует распределить по трем уровням сложности сле­дующим образом:

высший получение любого преобразования относительно произвольной плоскости, заданной несколькими способами.

средний получение любого преобразования относительно произвольной прямой.

низший получение любого преобразования относительно произвольной точки, а так же элементарные геометрические преобразования.

Основным связывающим звеном между дисциплинами "Компьютерная графика" и "Искусственный интеллект" является способ решения задач геомет­рических преобразований с помощью механизма логического вывода продук­ционных систем. При всем разнообразии задач геометрических преобразований их решение процедурными методами привело бы к значительному увеличению объема и трудоемкости написания программы, а также существенному сниже­нию гибкости. Реализованный в разработанной системе способ решения гео­метрических задач с помощью продукционных систем позволил добиться аб­солютной гибкости, т. е. преподаватель может вводить в курс все возможные задачи. Подобный подход позволяет таким образом построить выполнение за­дач геометрических преобразований, что становиться возможным реализовать все возможные преобразования в одном механизме вывода за счет использова­ния соответствующей базы знаний.

Разработанный способ используется в системе для решения следующих подзадач: во-первых, он заложен в саму программу для выполнения постоянно необходимых преобразований; во-вторых, на примере этого метода построено обучение по курсу "Продукционные системы", что весьма положительно, т. к. предмет осваивается обучаемым на конкретном примере из той области, с ко­торой он ранее ознакомился с другой стороны.

2. 2. Постановка задачи

Для обеспечения функционирования разработанной системы дистанци­онного образования во всех предусмотренных режимах необходимо было ре­шить следующие задачи:

1) теоретического плана:

- разработка способа представления информации о трехмерных геомет­рических объектах. Установление связей в разрабатываемых структу­рах и формальное описание преобразований, представленных таким образом;

- разработка универсального метода получения геометрических преоб­разований объектов на основе разработанного механизма вывода;

- разработка способов обучения методам геометрических преобразова­
ний, как примера использования продукционных систем.

2) Практического плана:

• реализация разработанного универсального способа получения гео­
  метрических преобразований на основе продукционных систем;

• разработка блока демонстрации формирования последовательности
  преобразований и контроля действий обучаемым;

- разработка блока выдачи задания обучаемому для самостоятельной
работы с учетом уровня сложности и блока контроля правильности
выполнения полученного задания.

2. 3. Обоснование выбора подхода и метода решения по­ставленной задачи

В основе разработанной системы лежит использование продукционных систем для решения задач геометрических преобразований. Основные доводы в пользу такого выбора:

1. Как отмечалось выше в главе анализа существующих подходов, алго­
   ритмические методы нахождения последовательности геометрических
   преобразований явно неэффективны, следовательно необходим дру­
   гой подход.

2. Использование связки "Продукционные системы + геометрические
   преобразования" выгодно с той точки зрения, что эти два понятия
   легко связать в единую работающую систему.