Школьное мультимедиа: третье измерение мира знаний

EVA’99-Москва
М.Н.Морозов ~ С.Н.Соколов ~ А.И.Марков
1
Школьное мультимедиа: третье измерение мира знаний.
М.Н. Морозов
С.Н. Соколов
А.И. Марков
Лаборатория систем мультимедиа МарГТУ
Адрес: 42400 г. Йошкар-Ола, пл. Ленина 3
Телефон: +7 836-2-596090
Факс: +7 836-2-110872
E-Mail: morozov@marstu.mari.ru
WWW: http:// www.marstu.mari.ru/mmlab/
1. Введение
Мультимедиа технологии уже доказали свою эффективность в школьном образовании.
Предоставляя разнообразные выразительные средства для отображения учебной
информации в сочетании с интерактивностью, мультимедиа обеспечивает качественно
новый уровень обучения. Вместе с тем, с развитием технических средств современных
компьютеров, существенно меняется
визуальная организация мультимедиа среды.
Появившаяся возможность широкого использования трехмерной графики позволяет перейти
от традиционного электронного учебника с гипертекстовыми страницами, реализующего
метафору книги, к интерактивной образовательной среде, организованной на основе
метафоры "нового" мира. Теперь экран монитора воспринимается учеником как окно в
новый, трехмерный мир знаний, в котором образы реальных объектов действуют наряду с
виртуальными моделями.
Однако, при создании такой образовательной среды разработчики сталкиваются с рядом
сложных задач: необходимостью дизайна простого и интуитивно понятного 3D интерфейса,
в котором образовательная информация визуально сочетается со средствами навигации;
реализацией программных средств для трехмерной графики, анимации и виртуальной
реальности интегрированных с другими средствами мультимедиа; определением
структурной организации и формы представления учебного материала, соответствующих
поставленным педагогическим целям.
Решение этих задач рассматривается на примере двух мультимедиа CD ROM,
разработанных для школьного курса химии.
2. Метафоры образовательной CD ROM
Метафора, основанная на подобии, позволяет, используя первоначальные знания
обучаемого об окружающем мире, эффективно объединять информационные элементы на
экране компьютера в единое целое. Долгое время единственной метафорой организации
информации на CD ROM была книга. Это являлось естественным выбором, так как в силу
ограниченных технических возможностей компьютеров, было возможно только
качественное отображение текста и графики, а для самих разработчиков книга служила
удобным и привычным способом изложения материала. С ростом производительности
компьютеров появилась возможность использования более мощных выразительных средств,
таких как трехмерная графика и виртуальная реальность.
Главная идея, положенная в метафору CD ROM «Общая и неорганическая химия» и CD
ROM «Органическая химия», заключается в том, что экран компьютера не представление
книжной страницы, а «окно в новый мир». «Новый мир» - это трехмерный мир, где все
информационные объекты имеют свои формы и поведение. Причем поведение каждого
объекта должно определяться как его внешним видом, так и функциональным назначением.
Безусловно, реальный мир удивительно разнообразен и количество объектов с их
возможным поведением - бесконечно. Поэтому наряду с общей метафорой «нового мира»,
9~6~1
EVA’99-Москва
М.Н.Морозов ~ С.Н.Соколов ~ А.И.Марков
2
требуется и выбор частной метафоры организации визуального пространства экрана, а также
и своих элементных метафор для каждого объекта этого пространства.
В качестве частной метафоры для реализации CD ROM «Общая и неорганическая
химия» и CD ROM «Органическая химия» была выбрана метафора театра. Как показано в
заставках к программным продуктам, учащийся попадает в необыкновенный театр химии, в
котором и будет разворачивается действие. Занавес открывается, и на театральной сцене
развертываются информационные объекты необходимые для организации представления.
Информационные объекты, образующие визуальное наполнение каждой сцены делятся
на четыре группы:




содержательные объекты - учебный материал в виде текста, графики, анимации, видео
и элементов виртуальной реальности;
объекты идентификации положения в гиперпространстве - названия разделов, глав,
экранов, режимов обучения;
навигационные объекты - кнопки перемещения, карты, меню, маяки;
сервисные объекты - кнопки управления звуком, помощи и др.
Согласно принятой общей метафоре, все объекты должны иметь форму и динамическое
поведение, не только связанное функционально с внешним видом объекта, но и
указывающее на их роль в информационной среде. Так все навигационные и сервисные
объекты при наведении на них курсора начинают «шевелиться» - производят небольшое
видимое движение. «Кристаллы» (кнопки перехода по последовательности учебных
фрагментов) и указатели образовательных режимов (тесты, опыты, обучение) осуществляют
вращение, а сервисные объекты «динамик» и «мышь», используемые для управления звуком,
- качаются.
В свою очередь все содержательные объекты и идентификаторы положения свое
динамическое поведение проявляют только при смене учебного фрагмента. Находящиеся на
заднем плане сцены учебная доска, лабораторный стол и периодическая таблица химических
элементов выдвигаются на передний план по мере необходимости. Таблица элементов
используется при объяснении свойств химических элементов, а лабораторный стол - при
демонстрации опытов. Компоненты представления содержательной учебной информации формулы, графика, анимация, текст - имеют, как правило, объемное представление и
органично вписываются в визуальную организацию сцены.
Интегрирование всех информационных объектов в рамках единой метафоры облегчает
взаимодействие учащихся с необычной формой представления учебного материала
Пространственная, основанная на применении трехмерной графики, форма организации
образовательной среды стимулирует воображение и процессы визуального мышления,
обеспечивает мультимодальное восприятие учебного материала в противовес
традиционному текстово-графическому.
3. Информационная структура CD-ROM.
При создании мультимедиа образовательных CD-ROM авторы должны решить задачу:
как при максимальной информационной насыщенности продукта обеспечить максимальную
простоту и прозрачность организации учебного материала для пользователя.
Один из способов решения этой задачи - ограничение как способов представления
учебного материала, так набора навигационных объектов. В этом случае учащийся, быстро
освоив особенности интерфейса CD-ROM, в дальнейшем не будет на него отвлекаться,
сосредоточив все внимание на содержании образовательной информации.
Учитывая это, в CD-ROM «Химия» используются три образовательных режима,
имеющих свой ограниченный состав средств навигации и представления информации:
 Обучение - основной режим, в котором учебная информация организована в виде
трехуровневой иерархии;
9~6~2
EVA’99-Москва
М.Н.Морозов ~ С.Н.Соколов ~ А.И.Марков
3


Тесты - комплекс задач для проверки знаний;
Опыты - модели химических опытов.
Каждый режим располагает типовым набором графических форм для воспроизведения
информации. При этом, помимо форм представления обычных мультимедиа компонентов
(текст, графика, анимация и видео), задан ряд интегрированных форм. Например, для
объяснения химических реакций используются «озвученные формулы», в которых чтение
формул сопровождается цветовым выделением соответствующих реагентов. Для
демонстрации 3D структур органических веществ используются «виртуальные структуры»,
где средствами виртуальной реальности представлены две основные формы моделирования
молекул. Удобство навигации по линейной последовательности учебных фрагментов
обеспечивается, кроме этого, системой «превью», когда перед переходом к очередному
фрагменту можно посмотреть его микроизображение.
В тестах , несмотря на большое разнообразие задач, удалось использовать только две
формы выбора ответов – «радиокнопки» и «Drag and Drop». Аналогичный интерфейс
использован и в режиме “Опыты”.
Программная реализация мультимедиа продукта с такой сложной структурой основана
на применении графа переходов. Вершины графа задают все возможные состояния
презентации, а дуги определяют возможные пути перехода от состояния к состоянию (рис.
1). Каждое состояние определяется информацией, которая будет представлена пользователю,
как на экране, так и в звуковом сопровождении. Система в каждый момент времени
находится в некотором состоянии, из которого существуют один или несколько путей
перехода в другие состояния.
Рис.1 Граф переходов CD ROM «Химия».
Указанный подход в реализации графа переходов позволяет легко производить
модернизацию поведения используемых навигационных элементов, существенно упрощая
работу над проектом.
4. Технология скриптов при разработке CD ROM
Существует два главных подхода к разработке мультимедиа CD-ROM. Первый, наиболее
распространенный, заключается в использовании авторских систем для организации
9~6~3
EVA’99-Москва
М.Н.Морозов ~ С.Н.Соколов ~ А.И.Марков
4
мультимедиа презентаций, например, таких как Macromedia Director или Asymetrix's
Multimedia Toolbook. Позволяя быстро и при небольших затратах создавать
высококачественные мультимедиа продукты, данный подход однако ограничивает
разработчикам выбор выразительных средств представления информации возможностями
авторской системы.
Второй подход, основан на непосредственном программировании мультимедиа продукта
на языке высокого уровня, например - C++ или Visual Basic. Обеспечивая полную свободу
разработчикам в программной и визуальной организации мультимедиа презентации, этот
подход, наоборот, дорог и трудоемок.
Для реализации информационно и визуально насыщенных CD-ROM по школьному
курсу химии был опробован третий, альтернативный подход, заключающийся в применении
специальных сценариев - скриптов - для описания презентационных характеристик и
иерархической структуры содержательной и навигационной информации. Такая технология
разработки в некоторой степени сходна с применяемой в авторских системах, основанных на
парадигме скриптов. Однако принципиальное отличие заключается в том, что на уровне
скриптов описывается теперь только структура и спецификации презентации (атрибуты
графики, горячие точки, синхронизация и др.) для объектов, собранных в виде файлов
мультимедиа базы данных. Все графические выразительные возможности CD-ROM и
информационная организация мультимедиа продукта по-прежнему программируется на
языке высокого уровня C++, что обеспечивает полную творческую свободу разработчиков.
Соответственно изменяется порядок работы над проектом. Программист разрабатывает ядро
системы, набор презентационных модулей и программы обработки скриптов. В тоже время
содержательным наполнением скриптов могут заниматься другие специалисты, от которых
требуется только знание простых синтаксических правил написания скриптов.
Для каждого из образовательных режимов CD ROM («Учеба», «Тесты», «Опыты»)
используется свои скрипты, с функционально ориентированными синтаксисами. Во время
компиляции скрипта проводится проверка его синтаксической правильности и
преобразование его в бинарный файл, анализируемый во время презентации. Проверка
семантической правильности скрипта ложится на его разработчиков, при этом, ошибки в
семантике скрипта обнаруживаются и исправляются в процессе тестирования.
Использование описанной технологии, позволяет отделить разработку информационносодержательной части мультимедиа продукта, постоянно изменяющейся при
проектировании и модификации, от презентационной части, которая изменяется
незначительно.
5. Заключение
Образовательные CD ROM должны быть не менее интересны и привлекательны для
детей, чем многочисленные компьютерные игры с прекрасной 3D графикой и
захватывающим сюжетом. Однако добиться этого чрезвычайно трудно, учитывая огромные
финансовые ресурсы, расходуемые на разработку таких игр.. Предложенный авторами
подход позволяет сократить существующий разрыв между образовательными и игровыми
CD ROM. Это достигается как за счет необычного дизайна 3D интерфейса, так и путем
применения специальной технологии разработки мультимедиа продукта.
В качестве общей метафоры организации мультимедиа среды была принята метафора
театра, со всеми соответствующими атрибутами: сцена, с содержательным визуальным
наполнением, кулисы, занавес и др. Для представления образовательной информации, кроме
традиционных мультимедиа компонентов, используются новые интегрированные формы
("озвученные формулы", "виртуальные структуры", "ромашка" и др.). В силу сложности и
насыщенности информационной модели CD-ROM, ее реализация основана на применении
парадигмы скриптов (сценариев), принятой для описания структуры учебной и
навигационной информации, а также графа переходов программы.
Найденные решения могут быть рекомендованы при создании нового поколения
9~6~4
EVA’99-Москва
М.Н.Морозов ~ С.Н.Соколов ~ А.И.Марков
5
"трехмерных" школьных мультимедиа CD ROM.
Морозов М.Н.- к.т.н., доцент кафедры информатики и системного прграмирования
МарГТУ, руководитель лаборатории систем мультимедиа. Член совета научно-технической
программы "Мультимедиа в образовании", член научно-экспертного совета по
информатизации сферы образования МОиПО (отделение "Мультимедиа в образовании"),
представитель в России Международной ассоциации по новейшим применениям
компьютеров в образовании (Association for the Advancement of Computing in Education, USA)
в России по направлению мультимедиа и гипермедиа, автор свыше 40 научных трудов, в том
числе трех публикаций за рубежом (Австрии, Германии, Нидерланды), руководитель проекта
трех CD ROM.
Соколов С.Н.- ведущий программист лаборатории систем мультимедиа. Программист
двух мультимедиа CD ROM.
Марков А.И.- программист лаборатории систем мультимедиа. Дизайнер и программист
мультимедиа CD ROM.
Лаборатория систем мультимедиа Марийского государственного
технического университета
с 1993 г. ведет научно-исследовательские работы в области образовательных мультимедиа
технологий. С 1994 лаборатория является участником межвузовской научно-технической
программы "Мультимедиа в образовании". Основные направления работ: разработка
образовательных мультимедиа систем и инструментальных средств, исследование
методологии применения мультимедиа и гипермедиа в учебном процессе.
Созданы инструментальные системы LECTOR-MM и LANGUAGE-MM для аудиторных
мультимедиа занятий, система OnAir для кооперативного обучения, CD-ROM "Механика
материалов" для высшей школы (издан РМЦ в 1998 году), и CD-ROM "Общая и
неорганическая химия" и CD ROM "Органическая химия".
Разработанные обучающие мультимедиа CD ROM демонстрировались на выставках
"Мультимедиа в образовании 94-98", "Образование 98" (г. Москва), на выставках в г.
Мадриде (Испания, 1997г.) и CeBIT-Home-98 и Cebit-99 (г. Ганновер, Германия), на
международной конференции ED-MEDIA 95, (г. Грац, Австрия).
9~6~5