Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Катаев Александр Вадимович
ПРОГРАММНО-ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА ПРОЦЕССА РАЗРАБОТКИ ОБУЧАЮЩИХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ИГР
Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Волгоград - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Волгоградский государственный технический университет
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Камаев Валерий Анатольевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лукьянов В.С.
Волгоградский государственный технический университет, профессор кафедры ЭВМ и С доктор технических наук, профессор Финогеев А.Г.
Пензенский государственный университет, зав. кафедрой САПР
Ведущая организация: Астраханский Государственный Технический Университет
Защита диссертации состоится 4 июля 2012 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.212.028.04 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, Россия, Волгоград, пр. Ленина, 28.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.
Автореферат разослан 4 июня 2012 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Водопьянов В.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы Одним из эффективных способов электронного обучения является применение обучающих систем, в которых реализованы компоненты игрового процесса, - обучающих компьютерных игр. Применение компьютерных игр для обучения позволяет повысить мотивацию обучаемых, при этом сохраняются преимущества электронного обучения.
Разработка компьютерных игр требует применения целого набора специализированных программных средств. В настоящее время для создания обучающих игр используются, в основном, те же инструменты, что и для обычных компьютерных игр. Однако в этом случае возникает ряд проблем:
сложность обеспечения управления процессом обучения в игре, отсутствие необходимых средств управления обучающим контентом и механизмов управления качеством обучающих игр. Использование же в процессе создания компьютерных игр инструментов, предназначенных только для разработки обучающих систем, осложняется неприспособленностью этих инструментов к специфике разработки игр, в частности использованием неподходящих форматов данных для хранения обучающего контента.
Важная задача, решаемая при создании обучающих компьютерных игр - реализация управления процессом обучения. Способ управления напрямую влияет на возможность достижения цели обучения и, соответственно, определяет качество обучающей игры. Существует обучающие системы, реализующие различные подходы к управлению процессом обучения. Однако прямой перенос моделей, применяемых в традиционных обучающих системах, в обучающие игры существенно ограничивает игровые возможности, так как реализуемые на их основе методы управления не являются достаточно интерактивными для реализации игрового процесса.
Поэтому актуальной является задача разработки моделей, алгоритмов и программных инструментов для обеспечения процесса создания обучающих компьютерных игр, позволяющих реализовать управление процессом обучения с учетом особенностей интерактивного игрового процесса.
Цель и задачи работы Цель работы состоит в повышении эффективности разработки обучающих компьютерных игр и улучшении их качества за счёт создания специализированных алгоритмов, моделей и программных инструментов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) проанализировать процесс разработки обучающих компьютерных игр, используемые в нем программные инструменты, определить реализуемые в них методы и модели управления процессом обучения и установить их влияние на качество обучающих игр;
2) разработать модели и механизмы, необходимые для реализации управления процессом обучения в компьютерных играх;
3) реализовать разработанный метод, модели и механизмы управления процессом обучения учитывающие специфику применения в игровом процессе;
4) провести апробацию разработанного комплекса;
5) проанализировать влияние разработанных инструментов и моделей на качество создаваемы обучающих компьютерных игр и показать их эффективность.
Объектом исследования является процесс разработки обучающих компьютерных игр.
Предметом исследования является методы и программные инструменты, используемые при разработке обучающих игр.
Методы исследования. В диссертации использованы методы системного анализа, теории управления, математического моделирования, проектирования информационных систем, верификации и оценки качества программного обеспечения. Разработка программных и информационных средств произведена на основе современных принципов построения программных систем.
Научная новизна результатов, выносимых на защиту, заключается в разработке комплекса программных инструментов, методов и моделей, используемых для реализации процесса обучения в компьютерных играх, а именно:
1) разработаны алгоритмы и специализированное программное обеспечение, позволяющие системно управлять игровым и обучающим контентом на этапах разработки и эксплуатации обучающих компьютерных игр;
2) предложена новая структура модели обучаемого, позволяющая снизить трудоёмкость настройки механизмов оценки результатов обучения по сравнению с известными моделями, применяемыми в обучающих системах;
3) впервые предложена модель сценария обучающей игры, позволяющая проводить анализ траекторий обучения и параметров модели обучаемого для управления качеством обучающего курса, и проблемноориентированный визуальный язык, позволяющий задавать возможные последовательности изучения материалов и управлять влиянием выполнения обучающих действий на модель обучаемого;
4) впервые предложен набор эвристик для оценки качества обучающих компьютерных игр с помощью метода эвристической оценки, позволяющий на этапе разработки игры оценить качество обучающей и игровой компонент, а также качество их взаимодействия.
Практическая ценность работы заключается в разработке программных инструментов, которые могут быть использованы при разработке обучающих компьютерных игр по различным дисциплинам.
Апробация работы.
Основные положения и материалы диссертационной работы докладывались на международных научно-технических конференциях Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами (г. Сочи, 2011г., 2010г., 2009г., 2008г., 2007г.), XXXVIII Международная конференция Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе (IT + S&E`11), майская сессия (Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 20 - мая, 2011 г., л4th European Conference on Games Based Learning (Copenhagen, Denmark, October 2010,), IADIS International Conference (Porto, Portugal, March 2010), л3rd European Conference on Games-Based Learning (Graz, Austria, October 2009), Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Технологии Microsoft в теории и практике программирования (г. Москва, 1920 марта 2008 г.), Международной научно-технической конференции УСистемные проблемы надёжности, качества, мат. моделирования, информ. и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика-2007), Первой региональной научно практической студенческой конференции г.
Камышина (26-27 апреля 2007 г.) и других научно-технических и научнопрактических конференциях.
По теме диссертации опубликовано 22 печатных работы, в том числе публикаций в журналах, рекомендованных ВАК, 4 публикации в иностранных источниках и 1 коллективная монография. Поданы 2 заявки на регистрацию программ ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 128 страниц, в том числе 27 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 87 наименований.
СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, дана общая характеристика работы, определяются цель и задачи исследования, формулируется научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведена структура работы, основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе исследован процесс разработки обучающих компьютерных игр и инструменты, используемые при их создании, рассмотрено понятие качества обучающих компьютерных игр и влияние метода управления процессом обучения в обучающих играх на их качество.
Большой вклад в исследование процесса разработки компьютерных игр, в том числе обучающих, а так же используемых инструментов внесли известные исследователи Р. Ханике (Robin Hunicke), М. Ле Бланк (Marc LeBlanc), Р. Зубек (Robert Zubek), М. Пренски (Marc Prensky), М. Стэнсфилд (Mark Stansfield), Х. Брэдшав (Hazel Bradshaw), Д. П. Джи (James Paul Gee).
При анализе процесса разработки обучающих игр выявлено, что в основном используются технологии и инструменты, применяемые для разработки обычных игр и электронных обучающих систем. Выявлены основные ограничения применения рассмотренных технологий к разработке обучающих игр:
необходимость написания программного кода низкого уровня и его сопровождения; ограниченная поддержка процесса обучения; отсутствие инструментов управления сценарием обучения и механизмами адаптации;
отсутствие средств управления качеством обучающих игр.
Проанализированы исследования в области качества обучающих игр, обучающих систем и видеоигр. Наиболее известны работы М. Пренски и Д. П. Джи. Наиболее известны исследования в области разработки адаптивных обучающих систем и оценки их качества П. Брусиловского, Х. Караганнидиса (Charalampos Karagiannidis), С. Вайбельзаля (Stephan Weibelzahl), А. Парамизиса (Alexander Paramythis), К. Стефанидиса (Constantine Stephanidis), Д. Чина (David Chin), Е. Гердера (Eelco Herder), П.Н. Воробкалова, В.К. Григорьева, К.И Бушмелевой. В области качества компьютерных игр известны исследования Х. Десурвайр (Heater Desurvire), К. Щиглика (Clarry Shchiglik), С. Дж. Барнса (Stuart J. Barnes), Х. Коэффел (Christina Koeffel), В. Хохлейтнера (Wolfgang Hochleitner), Д. Лейтнера (Jakob Leitner), М. Халлера (Michael Haller), В. Заммитто (Veronica Zammitto) и др.
Показано, что для оценки качества обучающих игр к характеристикам, определяющим способность обеспечения системой требуемого уровня знаний обучаемого, необходимо добавить характеристики, определяющие игровые качества системы, а также системные характеристики оценки взаимодействия обучающей и игровой составляющей. Выявлены основные группы характеристик качества обучающих систем (результаты обучения, качество обучающих материалов, возможности по адаптации процесса обучения, интерфейс пользователя и эргономичность), компьютерных игр (игровой процесс, игровая механика, сюжет игры, интерфейс и эргономичность). Системные характеристики качества обучающих игр проявляются как баланс между игровой и обучающей составляющей и характеризуют целостность восприятия игрового и обучающего процесса и их взаимное влияние. Задачи унификации и стандартизации процесса оценки качества и разработки критериев качества компьютерных игр в настоящее время находятся на стадии исследования.
Установлено, что качество обучающей игры существенно зависит от реализованного в ней метода управления процессом обучения. Таким образом, проблема разработки обучающих компьютерных игр заключается в отсутствии поддержки в существующих инструментах разработки соответствующих методов и моделей, необходимых для их реализации.
Во второй главе описан метод управления процессом обучения в компьютерных обучающих играх, учитывающий особенности игрового процесса и обеспечивающий возможность системного управления процессом обучения на этапах разработки и эксплуатации обучающих игр, предложены модель сценария и модель обучаемого, а так же механизмы оценки резульатов обучения, необходимые для реализации такого метода управления.
Рассмотрено понятие управления процессом обучения, которое для автоматизированных обучающих систем включает в себя текущий контроль приобретаемых навыков и знаний в процессе обучения и адаптацию процесса обучения к индивидуальным характеристикам обучаемого. При анализе понятия управления процессом обучения определены субъекты управления: разработчик, обучающая система и обучаемый. Каждому субъекту управления сопоставлен контур управления (Рисунок 1).
Всего выделено 3 контура управления: внешний (управление на этапе создания игры) и два внутренних (управление на этапе эксплуатации игры) - директивный и селективный. Внешний контур осуществляет коррекцию параметров процесса обучения на основе оценки качества сценария и анализа результатов использования обучающей игры. Директивный контур реализует формирование возможных последовательностей прохождения материалов курса на основе связей между элементами сценария с учетом оценок текущих результатов обучения. Селективный контур предоставляет игроку возможность самостоятельного формирования траектории обучения на основе личных предпочтений в рамках предоставленных директивным контуром вариантов.
Для реализации управления процессом обучения предложены модель сценария обучающей игры, структура модели игрока, а так же необходимые механизмы реализации (см. рис. 2).
Контуры управления:
Внешний Директивный внутренний Селективный внутренний Преподаватель / Статистика обучения разработчик курса Обучаемый / игрок Визуализация оценки текущих Выбор действия результатов обучения Сценарий обучающей игры Характеристики Характеристики Формальное процесса Выбранное выполнения описание обучения действие действия сценария Разработка Выполнение Выполнение Оценка Анализ игры сценария действия результатов обучения Оценки текущих результатов обучения Обучающее игровое приложение Рисунок 1. Управление процессом обучения в обучающей игре.
Механизмы Механизмы Механизмы расчёта оценок Механизмы Механизмы анализа взаимодействия текущих выполнения управления процесса обучаемого с результатов сценария сценарием обучения системой обучения Оценка Анализ Разработка Выполнение Выполнение результатов обучения игры сценария действия Модель Модель игрока сценария Рисунок 2. Модели и механизмы реализации управления процессом обучения в обучающей игре.
Сценарий игры описывает последовательности действий, выполняемых игроком в процессе игры. Для обучающих игр набор действий дополняется действиями, реализующими обучающий процесс. Для адаптивных систем сценарий обучения так же содержит информацию, необходимую подсистеме адаптации для выбора последовательностей выполнения действий. Наиболее распространенным методом описания сценария является использование языков программирования общего назначения, однако, такой подход имеет ряд недостатков: многие типовые действия из отдельных блоков требуется строить вручную; разработчик курса должен обладать навыками структурного В з а и м о д е й с т в и е программирования. Кроме того, такие языки не содержат специальных средств для работы с моделью обучаемого.
Разработана модель сценария, ориентированная на использование в обучающих играх. Виртуальный мир и модель игрока в модели сценария представляется множеством объектов. В каждый момент времени каждый объект находится в одном из допустимых состояний. Совокупность состояний объектов виртуального мира образует состояние виртуального мира игры. Действия сценария описывают взаимодействие обучаемого и обучающей игры, инициируемые игрой. Действия выполняются последовательно, образуя независимые цепочки. Для указания моментов времени симуляции виртуального мира, когда должны быть выполнены последовательности действий, используются события модели сценария. Выполнение событий, в отличии от действий, инициируется обучаемым. Для уточнения состояния виртуального мира, при котором действие может быть выполнено используются условия.
Изменения состояния виртуального мира игры, происходящие в результате выполнения действий задаются с помощью влияний в модели сценария. Таким образом, явное указание условий выполнения действий позволяет реализовать директивный контур управления. В то же время использование событий, инициируемых обучаемым, для запуска выполнения цепочек действий, обеспечивает реализацию селективного контура управления.
Модель сценария представлет собой ориентированный граф (Рисунок 3), который может быть задан 6 компонентами:
, где - множество событий; - множество действий; - { | } множество объектов; - множество ребер, задающих последовательности действий и их связь с { | } событиями; - множество ребер, задющих условия выполнения действий сценария;
{ | } - множество ребер, задающих влияния; - множество возможных состояний объекта o.
Объединение множеств образует множество узлов графа, объединение множеств образует множество ребер графа. Состояние виртуального мира игры определяется совокупностью состояний отдельных объектов. Элемент условия задает подмножество состояний объекта, при котором возможно выполнение связанного с дугой действия. Элемент задает новое состояние объекта, в котором он должен оказаться, после выполнения действия.
Семантика дуг и их параметров приведена в таблице 2.
a b A - объекты a =a - события A d D a - действия =b < - последовательность Выполнение действий сценария начинается в моменты времени симуляции виртуального мира, задаваемые узлами событие модели сценария. При срабатывании события начинается выполнение действий, задаваемых связями последовательность, для которых удовлетворены условия, задаваемые связями влияние. Алгоритм выполнения сценария приведен на рисунке 4. Таблица 1. Семантика дуг графовой модели сценария. Начальный узел дуги Объект ( ) Событие ( ) / Действие ( ) Тип связи: Влияние. Параметр дуги: - новое состояния объекта. Ц Описание: После выполнения действия / срабатывания события, объект переходит в состояние. Тип связи: Условие. Тип связи: Последовательность. Параметр дуги: - Описание: После выполнения действия / допустимые состояния объекта. срабатывания события происходит Описание: Выполнение действия переход к выполнению действия. происходит только если объект, находится в состоянии, задаваемым параметром, т.е. Конечный узел дуги Действие ( ) Объект ( ) Выбор следующего действия Начало для узла ( a ) a событие нет { | } , ,, да Выполнение действия узла а нет | | = да ,, : нет да , [], a выбор следующего действия для узла (a) + 1 [ ] Конец выполнения Результат: f Рисунок 4. Алгоритм выполнения сценария. Для расчёта и хранения оценок результатов обучения разработана структура модели игрока. В обучающих системах под моделью обучаемого понимается структура, позволяющая хранить информацию об обучаемом, значимую с точки зрения процесса обучения, а так же рассчитывать на основе этой информации результаты обучения и осуществлять адаптацию процесса обучения. По аналогии, модель игрока в традиционных играх, хранит информацию о персонаже игрока - его текущих характеристиках и возможностях. В результате объединения этих двух моделей предложена структура модели игрока обучающей игры. Возможность анализа процесса обучения в игре реализуется за счет выделения в модели игрока профиля действий, в котором собирается информация о выполнении действий сценария в процессе игры. Для каждого выполненного действия собирается набор значений метрик выполнения действия, составляющих его характеристику. Набор метрик, по которым оценивается выполненное действие, определяется типом действия. При прохождении обучения действия сценария могут быть выполнены в различном порядке, некоторые действия могут выполняться повторно или не выполняться вовсе. Таким образом профиль действий может содержать несколько характеристик выполнения одного и того же действия сценария. Оценка результатов обучения и управление процессом обучения осуществляются с помощью модели знаний и модели навыков. Обе модели представляют собой множество переменных, хранящих текущий уровень знаний по соответствующим темам предметной области. Различия между этими двумя моделями состоят в механизмах вычисления переменных, применяемых шкалах оценки и интерпретации этих моделей в игровом процессе. Предлагаемая модель игрока может быть описана в следующем виде: , где - профиль действий; - модель знаний; - модель навыков; { } - множество функций влияния действия на знания; { } - множество функций оценки дейтсвия; { } - множество функций влияния действий на навыки; - количество элементов в модели навыков; - количество элементов в модели знаний Каждый элемент профиля действий может быть представлен в виде ( ), где - действие сценария, при выполнении которого собрана характеристика; - тип действия; - значения метрик действия; - общее количество метрик, измеряемых для действия типа С точки зрения модели сценария каждый элемент модели знаний и модели навыков является объектом. Состояния этих объектов задаются на множестве вещественных чисел: ( ) ( ). После составления характеристики выполнения действия сценария новое значение элементов модели игрока вычисляется с помощью функций оценки и функций влияния: функции оценки действия задаются для каждого типа действия ( ) и используются для расчёта степени усвоения предлагаемых знаний на основе значений метрик выполнения действия; функции влияния действия на знания задаются для пар действие сценария ( ) - элемент модели знаний ( ) и используются для расчёта влияния действий сценария на элементы модели знаний на основе значений оценки действия . Функции влияния действий на знания задаются с помощью параметров i связей типа влияние модели сценария; функции влияния задаются для пар тип действия ( ) - элемент модели навыков ( ) и используются для расчёта влияния действий сценария на элементы модели навыков, на основе метрик выполнения действия. Параметры связей типа влияние модели сценария для элементов модели навыков всегда равны 1. Использование функций оценки и влияния для расчёта переменных в модели знаний и навыков проиллюстрировано на рисунке 5. Модель k k1 k2 k k знаний K,i K+1,i K2,1K1,N K2,2 K,1 K,i K-1,i K,i K,N Ei ac1 ac2 acaci acN aci Профиль 1 =2 =2 i =1 2 i N ci,1 ci,M i обучения 1=2=1 2=1 i N i S-1,i S,i S+1,i S1,2 S1,1 S1,1 S,1 S,i S,N S,1 S,N S1,i Модель s s1 s s навыков а) б) Рисунок 5. Функции влияния. а) функции влияния на модель знаний и модель навыков б) расчёт влияния на основе значений метрик. Рассмотрена возможность использование линейных функций влияния действий на знания. Новое состояние элемента модели знаний после сбора характеристики n действия a типа может быть определено по формуле: ( ) ( ) ( ) ( ), где i - значение параметра связи влияния, связывающей выполненное действие a с элементом модели знаний . Новое состояние элемента модели навыков вычисляется по формуле: ( ) ( ) ( ). Одной из существенных характеристик модели обучаемого является трудоёмкость построения модели для конкретного курса. Трудоёмкость построения модели для обучающих систем существенно зависит от количества отдельных действий в сценарии обучающей игры. Предложенная структура модели игрока позволяет снизить трудоёмкость ее построения при разработке обучающих игр за счёт задания функций влияния не для каждого действия, а для групп действий, характеризуемых общим типом. Такой подход дает возможность реализовывать более сложные методы оценки знаний и навыков внутри модели игрока. Для оценки качества сценария обучающей игры предложены критерии, основанные на анализе сценария обучения и профиля действий. Основные предлагаемые критерии: 1) критерии, характеризующие структуру сценария: востребованность элементов сценария; сбалансированность стратегий обучения; 2) критерии, характеризующие качество элементов курса: влияние элементов курса на элементы модели обучаемого; необходимость повторного изучения элементов курса; количество неверных попыток выполнения заданий; 3) критерии, характеризующие взаимодействие обучающего и игрового процессов: сбалансированность обучающего и игрового процесса; адекватность требований к игровым навыкам; Рассмотрены и формализованы механизмы проверки и оценки заданий. Решение задания рассматривается как текстовая запись в виде последовательности символов, описанных на каком либо языке программирования. Выделены два способа проверки таких решений заданий: проверка текста решения и проверка результатов работы решения. Способ проверки текста решения представляет собой анализ текстовой записи решения и определение его правильности без полного анализа семантики. В основе способа проверки текста решения лежит анализ текста решения на основе правил, заданных разработчиком игры. Более подробно рассмотрены способы проверки текста, основанные на его сравнении с набором правильных решений, задаваемых разработчиком курса. Для снижения трудоёмкости описания набора правильных решений рассмотрены варианты использования регулярных выражений, разработка специализированых языков описания решений или представление набора решений в виде дерева. Способ проверки результатов работы решения подразумевает, что решение выполняется в соответствии с его семантикой и проверяются результаты выполнения решения. Рассмотрены специфические проблемы реализации способа в обучающих играх: возможная неполнота решения (решение не является самостоятельной компилируемой программной) и проблема оценки качества кода для оценки качества решения. Для неполных решений предложено дополнять текст фрагментами, заготовленными разработчиком игры. Для оценки качества решения предложен способ, основанный на применении метрик исходного кода и технологий статистического анализа исходного кода программ. Третья глава посвящена разработке комплекса программных инструментов, позволяющего создавать обучающие компьютерные игры на основе предложенных моделей. В главе приводится описание архитектуры, функциональной структуры, форматов хранения данных, технологий разработки и механизмов реализации компонентов комплекса. Разработанный комплекс состоит из программного ядра обучающей игры и специализированной среды разработки. Программное ядро реализует поддержку игрового процесса и процесса обучения. К функциям поддержки игрового процесса относятся симуляция виртуального игрового мира, выполнение сценария, отображение виртуального игрового мира, взаимодействие с пользователем, управление ресурсами. Функции поддержки процесса обучения: выполнение обучающих действий (отображение мультимедиа контента, тестирование, особые виды заданий и другие, зависящие от конкретной игры), оценка текущих результатов обучения, сбор информации в процессе обучения. Программное ядро обучающей игры строится на основе существующего игрового ядра. Среда разработки включает инструменты управления игровым и обучающим контентом, а так же инструменты анализа. Инструменты управления игровым контентом предназначены для создания описаний сущностей; редактирования сцен; импорта и предварительной обработки игрового контента. Инструменты управления обучающим контентом реализуют визуальное редактирование модели игрока, визуальное редактирование сценария обучающей игры и влияния его элементов на модель игрока, настройки механизмов проверки заданий и оценки результатов обучения, редактирование информационных материалов и заданий. Инструменты анализа необходимы для анализа сценария, траекторий обучения игрока, покрытия сценария в процессе обучения, динамики параметров модели игрока в процессе игры. Архитектура комплекса и его компонентов представлена на рисунке 7. Среда разработки Игра Программное ядро обучающей игры Подсистема Подсистема редактирования Подсистема Подсистема Мультимедиа 1 1 загрузки ресурсов симуляции мира визуализации ресурсы ресурсов Описание Подсистема мира редактирования Подсистема Подсистема карт Описание ввода-вывода логики сценария Подсистема 2 Обучающий редактирования 4 Состояние Подсистема контент элементов курса мира интерфейса пользователя Подсистема Обучающая редактирования Состояние система сценария игрока Подсистема Подсистема моделирования Профиль анализа сценария игрока действий 1 - Мультимедиа ресурсы (модели, текстуры, звуки, изображения и пр.); 2 - описание виртуального мира; 3 - описание сценария игры; 4 - обучающий контент, элементы курса; 5 - параметры симуляции объектов виртуального мира; 6 - состояние объектов виртуального мира; 7, 8 - состояние модели игрока; 9 - описание интерфейса пользователя; 10 - вводимые пользователем данные; 11 - характеристики выполнения элементов сценария Рисунок 6. Архитектура комплекса. Для управления сценарием обучающей игры разработана графическая нотация, включающая 4 вида основных элементов, 3 вида соединительных линий и 2 вида дополнительных узлов. Элементы визуаьного представления сценария представлены рисунке 6. I R R R Имя объекта Тип события: Тип действия: R V V V Имя атрибута R Имя объекта V Параметры параметры O O E E а) б) в) г) O V E +> I R V е) ж) и) к) л) Рисунок 7 Элементы визуального представления сценария: а) событие б) действие в) объект г) объект с атрибутами е) последовательность ж) условия и) влияние к) объединение л) пересечение Основные элементы визуального представления (лсобытие, действие и лобъект - Рисунок 6 а, б и в ) соответствуют узлам модели сценария. Для описания составных объектов используется обозначение лобъект с аттрибутами (Рисунок 6 в). В модели сценария составной объект может быть представлен в виде совокупности узлов типа лобъект. Для обозначения разных типов связей используются стрелки различного вида (Рисунок 6 е, ж, и). На графических обозначениях предусмотрены зоны входа и выхода для разных типов соединительных линий. Так же, предусмотрены графические обозначения для сложных условий, содержащих связки лили (лобъединение - рисунок 6 к) и ли (лпересечение - Рисунок 6 л). Элементы на графическом изображении сценария предложено располагать следующим образом: слева объекты мира, справа объекты модели игрока, в центре события и действия, в порядке следования, сверху вниз. Такое расположение позволяет минимизировать пересечения линий на графическом представлении сценария. Разработаны форматы файлов для хранения сценария и модели обучаемого, основанные на языке XML. Реализованы методы оценки сценария на основе предложенных во второй главе критериев. Отображение рассчитанных по критериям оценок производится в визуальном редакторе сценария обучающей игры. Для настройки методов проверки и оценки заданий разработаны соответствующие инструменты. Для каждого задания, требующего написания программного кода, предлагается выбрать и настроить параметры соответствующих методов методов проверки и оценки. Реализованы методы проверки исходного текста с использованием набора правильных решений и регулярных выражений. Для повышения эффективности их применения реализован алгоритм предварительной обработки текста, устранняющий возможные различия в оформлении программного кода, не влияющие на его правильность. Реализован метод проверки результата работы решения, основанный на подключении внешнего компилятора или интерпретатора. От разработчика обучающей игры требуется для каждого выполняемого задания задать: фрагменты кода, необходимые для получения полного (корректного) программного кода, дополнительные библиотеки, необходимые для его выполнения, исходные данные для выполнения кода и механизмы проверки результатов работы. Рассмотрены способы визуализации модели обучаемого в интерфейсе обучающих систем и возможности их использования игровом интерфейсе. Для отображения результатов обучения в обучающей игре предложены интерпретации элементов пользовательского интерфейса, характерных для обычных игр, в обучающей игре. Для отображения значений характеристик игровых навыков в обычных играх используются шкалы навыков. В обучающих играх вместо характеристик игровых навыков предложено использовать значения текущих оценок навыков предметной области, хранящиеся в модели игрока. Оценки навыков в виде шкал уровней отображаются непосредственно в игровом интерфейсе. Для отображения взаимосвязей отдельных тем курса и степени их изученности предложено использовать карты знаний. Карта знаний является визуальным отображением графа, характеризующего взаимосвязи между элементами знаний изучаемой предметной области. В узлах графа, соответствующих отдельным элементам знаний, отображается степень изученности соответствующего элемента, оценённая на числовой шкале. В четвертой главе показано применение разработанного комплекса, моделей и механизмов при создании игры для изучения объектноориентированной парадигмы и языка программирования C#. Игровой процесс, соответствующий жанру ролевых игр, заключается в перемещении персонажа по виртуальному миру, выполнении игроком сюжетных заданий и развитии персонажа. Решения заданий в разрабатываемой игре представляют собой фрагменты программного кода на языке C#. Для их проверки использованы методы анализа текста и анализа результатов выполнения кода. Для проверки результата работы решения реализована интеграция со средой Microsoft.NET. Таблица 3. Типы элементов курса и их оценки Тип элемента Метрики, сохраняемые в профиле обучения Использование Все типы T Время работы с элементом (в сек) Зависит от типа элемента U Кол-во обращений к данному элементу R Кол-во обращений к связанным элементам Тесты A Ответы обучаемого (текст) Анализ разработчиком G Степень правильности 0 G 1 Влияет на знания Задания на C Решение задания(текст) Анализ разработчиком синтаксис языка G Результаты проверки G {0;1} Влияет на навык SЗадания на C Решение задания (текст) Анализ разработчиком кодирование Q Качество оформления кода 0 Q 1 Влияет на оценки навыков алгоритмов G Результаты проверки G {0;1} Влияет на навыки S2, SОценки используемых методов Mi R Влияет на навыки S2, S3, Mi (набор метрик) S4, S6, SЗадания на P Выбор родительских классов Влияет на навык Sпроектирование D Выбор типов данных для членов класса Влияет на навык S1, Sклассов E Выбор режимов доступа Влияет на навык SЗадание на C Решение задания (текст) Анализ разработчиком анализ кода G Результаты проверки G {0;1} Влияет на навык SРазработана структура обучающего курса, сценарий обучающей игры и модель игрока. Сценарий обучения включает 85 информационных элементов и 35 элементов-заданий 5 типов. Для каждого типа выделены метрики и заданы функции влияния на оценки знаний и навыков (таблица 2). Выделены основные навыки из области объектно-ориентированного проектирования и программирования на языке С#: Проектирование иерархий классов (S1), Алгоритмизация (S2),Работа с данными (S3), Кодирование (S4), Анализ кода (S5), Работа со стандартной библиотекой (S6), Поиск информации (S7). Выделены 15 основных концептов предметной области и определены связи между ними. Построен граф основных изучаемых элементов курса, отображаемый в интерфейсе игры в виде карты знаний Для задания влияния элементов сценария на знания использованы линейные функции. В пятой главе описана адаптация метода эвристических оценок для применения при оценке качества обучающих компьютерных игр, а так же проведена оценка предложенных моделей. Для оценки качества обучающих компьютерных игр предложено использовать метод эвристических оценок. На основе анализа методов оценки качества компьютерных игр и обучающих систем, а так же на основе анализа системных эффектов обучающих компьютерных игр предложены эвристики, используемые для анализа качества обучающих компьютерных игр. Всего предложено 77 эвристик, разбитых на 8 групп (таблица 3). В таблице 5 приведен фрагмент набора эвристик - группа эвристик E1. Таблица 3. Группы эвристик для оценки качества обучающих игр. Код Группа эвристик Количество эвристик P1 Игровой процесс P2 Сюжет P3 Механика игры E1 Структура курса и качество обучающих материалов E2 Механизмы оценки и адаптации E3 Организация процесса обучения S1 Взаимодействие игрового и обучающего процессов. S2 Эргономичность системы. Всего эвристик: Оценка по приведенным эвристикам возможна уже на ранних этапах разработки игры - на основе прототипа и проектной документации. Это позволяет существенно сократить трудозатраты на устранение проблем игрового дизайна и структуры курса. Таблица 4. Группа эвристик E1. Структура курса и качество обучающих материалов На основе чего № Эвристика делается оценка 1. Различных типы обучающей активности сбалансированы, нет Сценарий игры, перекоса в сторону изучения/тестирования или иных видов обучающий курс. активности в процессе обучения. 2. Обучающий курс воспринимается целостно. Обучающий курс. 3. Игрок видит структуру курса и знает место каждого обучающего Дизайн документ, действия в процессе обучения. сценарий игры. 4. Необходимость изучения материала для достижения игровых целей Сценарий игры. осознается игроком. 5. Имеется возможность выбора порядка изучения материала и Сценарий игры. выполнения заданий. 6. Знания и навыки дисциплины приобретаются до того, как они Сценарий игры. понадобятся при выполнении заданий. 7. Все приобретённые знания и навыки требуются в процессе игры. Сценарий игры. 8. Теоретические материалы понятны, легко воспринимаются и Обучающий курс. достаточно подробно описывают суть явлений и знаний предметной области. 9. Игроку не требуется много времени, что бы понять что от него Обучающий курс. требуется в обучающих заданиях. 10. Задания достаточно простые, что бы игрок мог их решить, но не Обучающий курс. слишком сложные, что бы игроку было интересно их решать. Проанализировано влияние каждого контура управления в отдельности, и так же их совместного использования, на возможность реализации эвристик. На рисунке 9 приведены значения максимальных оценок, которые могут быть получены при реализации контуров управления. Показано, что реализуемые в предложенном комплексе инструментов модели управления, позволяют повысить качество обучающих игр по всем группам критериев на 19%. Эргономичность системы. Взаимодействие игрового и обучающего процессов. Организация процесса обучения Механизмы оценки и адаптации Структура курса и качество обучающих материалов Механика игры Сюжет Игровой процесс 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Все контуры Только внешний контур управления Только селективный контур управления Только директивный контур управления Рисунок 8 Максимальные оценки по методу эвристических оценок. В заключении диссертации приводятся основные научные и прикладные результаты, полученные автором в процессе выполнения работы. В приложениях приведены: эвристики, предлагаемые для оценки качества обучающих компьютерных игр; фрагменты сценария, обучающего курса разработанной обучающей игры; акты внедрения комплекса программных инструментов. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Выявлено несоответствие существующих инструментов и технологий потребностям процесса создания обучающих компьютерных игр, негативно влияющее на качество обучающих игр и эффективность процесса их разработки. 2. Спроектирован и реализован программный комплекс поддержки процесса разработки, позволяющий учесть специфику обучающих игр. 3. Предложен способ организации процесса обучения в компьютерной игре, основанный на трёхконтурном управлении, а так же модели и методы, необходимые для реализации такого способа. 4. Предложен метод оценки качества обучающих компьютерных игр, основанный на применении метода эвристических оценок и составлен набор эвристик. 5. Предлагаемые методы, модели и программные средства использованы при разработке обучающей игры по программированию. В целом, созданный комплекс программных инструментов разработки позволяет повысить эффективность разработки обучающих компьютерных игр и улучшить их качество. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК: 1. Катаев, А.В. Модель визуального описания сценария обучающих компьютерных игр и симуляторов / А.В. Катаев, А.В. Муха // Изв. ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 10 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 3. - C. 64-68. 2. Катаев, А.В. Открытая модель игрока для оценки знаний и навыков в компьютерных обучающих играх / А.В. Катаев, О.А. Шабалина // Изв. ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 11 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 9. - C. 79-85. 3. Катаев, А.В. Способы проверки решений заданий по программированию в обучающих системах / А.В. Катаев, О.А. Шабалина, В.А. Камаев // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. - 2011. - № 3. - С. 19-25. 4. Шабалина, О.А. Обучение разработчиков программного обеспечения: применение компьютерных игр и процесса их разработки / О.А. Шабалина, А.В. Катаев, П.Н. Воробкалов // Изв. ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 9 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 11. - C. 117-124. 5. Шабалина, О.А. 3i-подход к разработке компьютерных игр для обучения техническим дисциплинам / О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Катаев // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2011. - № 4. - C. 45-51. 6. Шабалина, О.А. Применение 3i-подхода для разработки обучающих игр по объектно-ориентированному программированию / О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Катаев // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2011. - № 6. - C. 46-52 + 3-я стр. обл. 7. Шабалина, О.А. Разработка обучающих игр: интеграция игровой и обучающей компоненты / О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Катаев // Открытое образование. - 2011. - № 2. - C. 290-294. Свидетельства о регистрации программ ЭВМ: 8. Заявка на регистрацию программы ЭВМ Среда визуального управления сценариями обучающих компьютерных игр / Катаев А.В., Шабалина О.А., Камаев В.А., № 2012613017 от 18.04.209. Заявка на регистрацию программы ЭВМ Модуль выполнения сценариев для обучающих компьютерных игр / Серегин А.А., Катаев А.В., Шабалина О.А., Камаев В.А., № 2012613014 от 18.04.20Публикации в иностранных изданиях: 10. Educational Games for Learning Programming Languages / Shabalina O., Vorobkalov P., Kataev A., Tarasenko A. // Methodologies and Tools of the Modern (e-) Learning: suppl. to Int. Journal "Information Technologies and Knowledge". - 2008. - Vol. 2, [Int. Book Series "Inform. Science & Comput."; № 6]. - C. 79-83. 11. 3I-Approach for IT Educational Games Development / Shabalina O., Vorobkalov P., Kataev A., Tarasenko A. // Proceedings of the 3rd European Conference on GamesBased Learning, Graz, Austria, 12-13 October 2009 / FH JOANNEUM University of Applied Science.- [UK], 2009.- P. 339-344.- Англ. 12. Game-based Aproach in IT Education Shabalina O., Vorobkalov P., Kataev A., Tarasenko A. // Human Aspects of Artificial Intelligence: suppl. to Int. Journal "Information Technologies and Knowledge" Vol. 3. - 2009. - Int. Book Series "Information Science & Computing", № 12. - C. 63-70. 13. Mobile Learning Games for Primary Education / Shabalina O., Vorobkalov P., Kataev A., Tarasenko A., Arsentiev A.// Proceedings of the 4th European Conference on Games Based Learning, Copenhagen, Denmark, 21-22 October 2010 / The Danish School of Education, Aarhus University.- Copenhagen, 2010.- P. 350-359. Монография: 14. Шабалина, О.А. Компьютерные игры как средство обучения разработчиков программного обеспечения : монография / О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Катаев; ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - 143 с. Публикации в сборниках трудов: 15. Адаптивная обучающая игра для изучения языков программирования / О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Тарасенко, А.В. Катаев, П.А. Ефанов // Открытое образование: прилож. к журн.: по матер. XXXIV междунар. конф. и дискусс. науч. клуба, Ялта-Гурзуф, 20-30.05.07. - 2007. - [Б/н]. - C. 294-295. 16. Адаптивная обучающая игра для изучения языков программирования / П.Н. Воробкалов, П.А. Ефанов, А.В. Катаев, А.В. Тарасенко, О.А. Шабалина // Интеллектуальные системы (AIS`07). Интеллектуальные САПР (CAD-2007): тр. междунар. н.-т. конф-ций, Дивноморское, 3-10 сент. 2007 / Технол. ин-т ФГОУ ВПО "Южный федеральный ун-т" [и др.]. - М., 2007. - Т.III. - C. 319-321. 17. Компьютерная ролевая игра для обучения языку программирования С# / П.Н. Воробкалов, А.В. Катаев, А.В. Тарасенко, О.А. Шабалина // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности "АСТИНТЕХ-2007": матер. всерос. науч. конф., 18-20 апреля 2007 г. / Астрахан. гос. ун-т и др. - Астрахань, 2007. - Ч.1. - C. 107-110. 18. Применение компьютерных игр в обучении / П.Н. Воробкалов, А.В. Катаев, А.В. Тарасенко, О.А. Шабалина // Городу Камышину - творческую молодёжь: матер. первой регион. науч.-практ. студ. конф., г.Камышин, 26-27 апреля 2007 г. / КТИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2007. - Т.2. - C. 61-63. 19. Разработка обучающих компьютерных игр для использования в вузе / О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Тарасенко, А.В. Катаев // Системные проблемы надёжности, качества, мат. моделирования, информ. и электронных технологий в инновационных проектах: (Инноватика-2007): матер. междунар. конф. и Рос. науч. школы / Рос. акад. надёжности [и др.]. - М., 2007. - Ч. 3. - C. 62-64. 20. Обучающие компьютерные игры по программированию / О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Тарасенко, А.В. Катаев // Системные проблемы надёжности, качества, инф.-телекоммуникац. и электрон. технологий в управл. инновационными проектами: (Инноватика-2008): матер. междунар. конф. и рос. науч. школы / Науч. центр "АСОНИКА" [и др.]. - М., 2008. - Ч. 3. - C. 32-34. 21. Разработка обучающих компьютерных игр для использования в вузе / О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Тарасенко, А.В. Катаев // Качество. Инновации. Образование. - 2008. - № 4. - C. 14-16. 22. Разработка, применение и оценка качества обучающих игр / О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Катаев, А.В. Тарасенко // Открытое образование: приложение к журналу [по матер. междунар. конференций, Ялта-Гурзуф, 20-30 мая 2008 г.]. - 2008. - Б/н. - C. 335-337. 23. DGBL в обучении IT / О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Катаев, А.В. Тарасенко // Открытое образование : [по матер. XXXVI междунар. конф. и дискус. науч. клуба IT+SE`09, майская сессия, Ялта-Гурзуф]. - 2009. - Приложение к журн. - C. 230-231. 24. Подход "3I" к созданию обучающих компьютерных игр / О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Тарасенко, А.В. Катаев // Информационные технологии в образовании, технике и медицине : матер. междунар. конф., 21-24 сент. 2009 / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2009. - C. 50. 25. Подход "3I" к созданию обучающих компьютерных игр / О.А. Шабалина, П.Н. Воробкалов, А.В. Тарасенко, А.В. Катаев // Системные пробл. надёжности, качества, инф.-телеком. и электрон. технологий в упр. инновац. проектами (ИННОВАТИКА-2009): матер. междунар. конф. и Рос. науч. школы : в 3 ч. Ч. 3 / Науч.-учеб. центр "АСОНИКА" [и др.]. - М., 2009. - C. 129-134.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям