Построение онтологии. Онтология строится как сеть, состоящая из терминов и отношений между ними. Отношения могут быть различного типа, например, "является", "имеет свойство" и т. П. (рис. 3.2)

Предлагаемая последовательность действий эксперта при построении предметной онтологии.

Шаг 1. Составление списка терминов <Tп>, участвующих в представлении предметной области.

Шаг 2. Дополнение списка отношениями <To>, которые могут связывать эти понятия.

Шаг 3. Составление списка отношений <Tmo> между отношениями.

Шаг 4. Составление метамодели между отношениями, RDF моделями «тройками» <To,Tmo,To>. Добавление новых отношений в список отношений <To>.

Шаг 5. Описание терминов и отношений, составление словаря терминов.

Шаг 6. Составление единой онтологической модели предметной области.

Рисунок 3.2 – Методика построения предметной онтологии

Предлагается графическое представление онтологии в виде диаграммы классов UML, в которой «субъект» связан с классом – «объектом» отношением-зависимостью, которое описывается классом ассоциацией.

Введем ряд отношений, взаимосвязанных друг с другом. В таблице 3.2 приведены экземпляры знаний. Соответствующая им модель отношений представлена на рис. 3.3.

Таблица 3.2 – Экземпляры знаний

Субъект	Предикат	Субъект
Отношение	Конкретизация	Определение
Отношение	Конкретизация	Альтернатива
Отношение	Конкретизация	Свойство
Отношение	Конкретизация	Декомпозиция
Альтернатива	Конкретизация	Аналог
Альтернатива	Конкретизация	Аббревиатура
Альтернатива	Конкретизация	Сокращение
Декомпозиция	Конкретизация	Раздел
Декомпозиция	Конкретизация	Этап
Конкретизация	Дополнение	Обобщение
Дополнение	Конкретизация	Отрицание
Определение	Конкретизация	Должен обладать
Раздел	Атрибут	Номер
Этап	Атрибут	Номер

Рисунок 3.3 – Метамодель отношений

Разработанная онтологическая модель классификации типов представления учебного материала для игровых технологий, включающая в себя основные способы формирования понятий (определение, декомпозиция, перечисление присущих свойств и сопоставление), позволяет использовать формализованное описание учебного материала для разных видов игр для последующего применения при реализации ИИС.

Формирование материала учебного курса на основе конфайнмент-моделирования

Планирование процесса управления качеством обучения можно наглядно отобразить с помощью когнитивной модели специального вида.

Задачей когнитивного моделирования является выявление и описание абстрактных или существующих коррелируемых явлений, событий, происходящих на объекте контроля и управления. Когнитивный инструментарий позволяет снижать сложность исследования, формализации, структурирования, моделирования системы.

В настоящее время этап когнитивной структуризации является в принципе не формализуемым, т.е. может выполняться только человеком. Когда модель уже создана, она позволяет провести системно-когнитивный анализ объекта управления и подтвердить или опровергнуть адекватность решений, принятых при когнитивной структуризации.

Когнитивное моделирование является удобным инструментом изображения систем. Методология когнитивного моделирования, предназначенная для анализа и принятия решений в плохо определенных ситуациях, была предложена Аксельродом. Она основана на моделировании субъективных представлений экспертов о ситуации и включает: методологию структуризации ситуации; модель представления знаний эксперта; методы анализа ситуаций.

Задачей когнитивного моделирования является выявление и описание абстрактных или существующих коррелируемых явлений, событий, происходящих на объекте контроля и управления. Когнитивный инструментарий позволяет снижать сложность исследования, формализации, структурирования и моделирования системы.

Однако, существующая методология структуризации ситуации и модель представления знаний эксперта, не позволяют анализировать сложные ситуации.

Модель предметной области в когнитивной модели представляется в виде знакового ориентированного графа с обратными связями. В вершинах графа располагаются различные события, либо ключевые элементы ситуации. Дуги, соединяющие вершины, отображают причинно-следственные связи между ними. Существенно, что параметры событий и степени их взаимного влияния могут выражаться как точными количественными параметрами, так и нечеткими качественными соотношениями.

Метод определения главных компонентов системы и изучения их влияния друг на друга был предложен Т.В. Гагиным [93]. Данный метод, основанный на конфайнмент-моделировании (КМ), позволяет значительно снизить временные затраты на моделирование и упростить исследование систем в различных предметных областях. Его назначение — облегчить выстраивание системных моделей. КМ помогает отсеять неважные (а сейчас они могут казаться важными) факторы и сосредоточиться на тех, что действительно влияют на результат. Системное моделирование дает возможность увидеть неочевидные влияющие факторы, ключевые точки и важные взаимосвязи еще до того, как это станет ясно на практике.

Применение подхода, основанного на когнитивном конфайнмент-моделировании, позволяет значительно сократить затраты времени на проведение исследований в той или иной предметной области. Суть этого подхода можно описать следующим образом. В любой предметной области можно выделить некоторые основные сущности и установить зависимости между ними. В нашем случае это будут зависимости вида «служит причиной», «зависит от», «влияет на» и т.п. В общем случае между сущностями можно выделить произвольные зависимости, но наша цель состоит в том, чтобы сократить время проведения анализа предметной области и получения конкретного результата [94].

Поэтому мы принимаем в рассмотрение только выделенные виды зависимостей. После выделения таких сущностей необходимо определиться с результатом, поскольку от него будет зависеть сама модель, полученная в результате моделирования. Обычно исследователь, проводящий исследование предметной области, имеет определенную цель, которая, в конечном счете, определяет конкретный результат (или результаты исследования). Далее, используя выделенные сущности и зависимости, а также результат, строится конфайнмент-модель проводимого исследования.

Далее, используя выделенные сущности и зависимости, а также результат, строится конфайнмент-модель проводимого исследования, общий вид которой приведен на рис.3.4.

Первый элемент этой модели соответствует результату. Узловые элементы модели соответствуют выделенным сущностям, а стрелки обозначают зависимости между ними. Каждый элемент имеет три входящие стрелки, т.е. зависит от трех элементов, и три выхода, т.е. влияет на три элемента. Данная модель отражает причинно-следственные связи между элементами предметной области. В принципе все элементы модели влияют друг на друга, однако это влияние может быть непосредственным или косвенным, т.е. через другие элементы. Выделяется также взаимное влияние элементов друг на друга, однако это влияние может быть непосредственным или косвенным, т.е. через другие элементы. Выделяется также взаимное влияние элементов друг на друга.

Рисунок 3.4 – Общий вид конфайнмент-модели

Модель имеет три уровня: внутренний (элементы № 1, № 7, № 2), внешний (элементы № 4, № 8, № 5) и средний (элементы № 3, № 9, № 6). Внутренний и внешний уровни модели изоморфны. На построение модели наложены определенные требования и ограничения. Например, каждый элемент может иметь только три входа и три выхода. Причем все элементы, с которыми соединен рассматриваемый элемент, должны находиться на разных уровнях. В модели можно выделить 3 сектора, состоящие из элементов: № 1, № 4, № 9 – конкретика; № 6, № 7, № 8 – значение; № 2, № 3, № 5 – содержание.

Принципиальная схема конфайнмент-моделирования состоит в следующем: сначала выделяется результат, а затем основные элементы, его вызывающие. При этом считается, что результат в общем случае известен, и модель ориентирована на достижение и воспроизведение (поддержание) желаемого состояния системой, т.е. стратегия «к результату». В сложных проектах исследовательского характера о результативности действий зачастую можно судить лишь по косвенным признакам. Поэтому построение модели в этих случаях, на наш взгляд, целесообразно начинать с описания и анализа предметной области и формулирования цели, задач, объекта и предмета исследования.

Научно-технический прогресс и глобализация приводят к увеличению объема информации, которая необходима человеку в процессе обучения, а так же для занятия научной и профессиональной деятельностью. При этом все более сложным становится отыскание компромисса между количеством информации, которую обучаемый должен усвоить, и качеством ее усвоения с позиции дальнейшей профессиональной деятельности специалиста [95, 96, 97]

К сожалению, традиционные формы представления информации такие как печатные книги, учебно-методические разработки, а также их электронные версии, даже с применением гипертекстовых и мультимедийных технологий взваливают на плечи обучающего основную работу по выделению и донесению до обучаемых смыслового содержания преподносимой информации.

Поэтому современное образование должно не только вооружать знаниями учащегося, но и, вследствие постоянного и быстрого обновления знаний, формировать потребность в самостоятельном непрерывном овладении ими, стремление к самообразованию.

Одним из средств решения этой задачи является использование новых форм и методов обучения, в частности интеллектуальных игр [1]. Игра в различных ее проявлениях давно признана психологами одной из наиболее эффективных форм обучения и проверки знаний.

Применение современных технологий управления знаниями, включая хранение и передачу семантической информации, обработку запросов пользователей, предоставление информации в необходимом виде, представление данных на логическом и физическом уровнях, совместно с методами активизации учебного процесса позволяют заметно повысить эффективность этого процесса [98]. Это может быть достигнуто только путем формирования единой обучающей среды (рис.3.5).

Рисунок 3.5 – Основные факторы, влияющие на эффективность обучения

Таким образом, разработанный подход к управлению учебным материалом курса на основе конфайнмент-моделирования позволяет детально представить процесс наполнения учебно-методического комплекса необходимым материалом, что составляет основу для наполнения базы данных как составной части ИИС.

3.2. Разработка онтологических моделей представления учебного материла

Продемонстрируем процесс построения онтологии на примере предметной области дисциплины «Технология разработки программного обеспечения» (специальности: 010503 – Математическое обеспечение и администрирование информационных систем и 230105 – Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем).

1. Сначала необходимо разбить дисциплину на разделы. Вводим отношение «Раздел». Пример экземпляра знаний (утверждения): («Технология разработки программного обеспечения», «(имеет)Раздел», «Планирование работ») (рис. 3.5).

Рисунок 3.5 – Фрагмент онтологии «Разделы ТРПО»

2. Для разбиения раздела на составляющие введем отношение «Декомпозиция». Пример экземпляра знаний (утверждения): («Качества программного продукта», «Декомпозиция», «Документация») (рис. 3.6).

Рисунок 3.6 – Фрагмент онтологии «Качества программного продукта»

3. Введем отношение «Конкретизация» для разбиения на различные виды (типы). Пример: («Программный продукт», «Конкретизация», «Библиотека») (рис.3.7).

Рисунок 3.7 – Фрагмент онтологии «Программный продукт»

4. Для нумерации этапов, например, жизненного цикла ПП, используем отношение «Этап». Пример: («Жизненный цикл», «Этап», «Разработка») (рис.3.8).

Рисунок 3.8 – Фрагмент онтологии «Жизненный цикл программного продукта»

5. Отношение «Определение» используем для объяснения значения различных терминов. Пример: («Прикладной программный продукт», «Определение», «Программный продукт, решающий некоторый класс задач») (рис.3.9).

Рисунок 3.9 – Фрагмент онтологии «Определения программного продукта»

6. Для использования сокращенной формы записи введем отношение «Аббревиатура». Пример: («Программный продукт», «Аббревиатура», «ПП») (рис.3.10).

Рисунок 3.10 – Пример отношения «Аббревиатура»

7. Введем отношение «Должен обладать», пример: («Программный продукт», «Должен обладать», «Качествами программного продукта») (рис.3.11)

Р исунок 3.11 – Пример отношения «Должен обладать»

Представление учебно-методического материала в виде онтологии позволяет упростить наполнение системы семантической информацией и использовать соответствующие методы для работы с онтологиями при выполнении и обработке запросов [12, 99, 100].

Общая схема разработанной онтологической БЗ, в состав которой входит онтология предметной области, включает основные понятия, определения и темы дисциплин, а также модели формирования учебно-методического материала, тестов и правила их формирования представлена на рис. 3.12.

Рисунок 3.12 – Основные компоненты онтологической базы знаний

Онтологическое описание БЗ представлено на языке OWL. Фрагмент такого описания приведен на рис. 3.13.

Рисунок 3.13 – Фрагмент описания на языке OWL DL