Помогают ли преподавателям информационные и коммуникационные технологии?

Сергей Кузнецов

Обзор июньского, 2005 г. номера журнала Computer (IEEE Computer Society, V. 38, No 6, Июнь 2005)

Авторская редакция.
Также обзор опубликован в журнале "Открытые системы"

Тема июньского номера – "Компьютеры и образование" ("Computers and Education"). В тематической подборке четыре статьи. Приглашенные редакторы и, соответственно, вводная заметка отсутствуют. Поэтому начну сразу с обзора статей. У первой статьи шесть авторов, и, как обычно, я укажу только первого из них. Это Барбара Хит (Barbara P. Heath, East Main Educational Consulting). Остальные авторы работают в университете Северной Каролины, г. Вилмингтон. Статья называется "Проект Numina: повышение качества обучения студентов с применением портативных компьютеров" ("Project Namuna: Enhancing Student Learning with Handheld Computers"). Американские студенты все более широко используют мобильные компьютеры, которые все время носят с собой. По мере увеличения распространенности этой технологии сотрудники колледжей и университетов стремятся к нахождению новых способов ее применения в учебных аудиториях. К сожалению, для использования на переносных компьютерах доступно очень мало приложений, особенно в областях математики и естественных наук. В 1999 г. в университете Северной Каролины началось развертывание беспроводной сетевой инфраструктуры. Одновременно был образован проект Numina (http://aa.uncw.edu/numina), предназначенный для исследования возможностей применения мобильных устройств в преподавании. За прошедшие годы междисциплинарная исследовательская группа университета из областей химии, компьютерных наук и математики провела эксперименты с использованием различных портативных устройств и программных приложений, прежде всего, в аудиториях бакалавриата. Большой опыт, полученный при использовании как коммерческого, так и самодельного программного обеспечения, показывает, что использование портативных компьютеров заставляет студентов учиться более основательно и улучшает понимание математических и естественнонаучных понятий. В статье описывается несколько приложений, созданных и/или использованных при выполнении проекта. Наиболее популярным приложением является SRS (Student Response System). Студенты используют портативные компьютеры для ответов на вопросы преподавателя. SRS сохраняет эти ответы в базе данных и отображает их вместе на экране. SRS – это серверное Web-приложение, полностью основанное на Web-технологии и потому не требующего на клиенте специального программного обеспечения, за исключением Web-браузера. В настоящее время участники проекта Numina разрабатывают среду мобильного обучения (Mobile Learning Environment, MLE), которая позволит студентам и преподавателям совместно работать в любое время и в любых местах, используя наиболее эффективные средства обучения.

Статью "Создание среды мультимедиа для обучения" ("Architecting Multimedia Environments for Teaching") написали Геральд Фридланд и Карл Паулс (Gerald Friedland, Karl Pauls, Freie Universitat Berlin). Окруженные различными современными техническими новшествами, преподаватели остаются чрезвычайно одинокими перед своей аудиторией. Даже в 2005 г. большинство преподавателей полагается на традиционные примитивные средства. Например, во многих научных дисциплинах предпочтительной средой демонстрации материала остается доска, на которой пишут мелом. После того как в сферу образования проникли вычислительные устройства, исследователи занялись поисками способов их должной интеграции и эффективного использования. Потребности вычислительного оборудования в образовании проявляются волнообразно. Существует несколько частичных решений, но ни одно из них не обеспечивает общего видения применения этой технологии. Сегодня преобладают три подхода к электронному обучению (e-learning): интенсивное использование презентаций в виде слайд-шоу; видеозаписи лекций, передаваемые по оптоволокну и путем широковещания в Internet; создание модулей e-learning на основе динамических Web-страниц или Java-апплетов. У каждого из этих подходов ограничения. В частности, слайд-шоу выглядят статичными, поскольку все готовится заранее, и у преподавателя остается мало возможностей адаптировать материал к особенностям текущей аудитории. Существующие решения, относящиеся ко второму подходу, фокусируются либо на записи и передаче учебного занятия, либо на установлении двунаправленного соединения, или канала обратной связи. Этот подход вообще не поддерживает учебный процесс. При применении третьего подхода, если опираться на традиционные авторские системы, имеется большая диспропорция между временем, затрачиваемым на производство модуля, и временем его использования при обучении, поскольку традиционные технологии обучения не очень просто воспроизводятся при помощи современных авторских инструментальных средств. Анализ, проведенный авторами, выявил следующие требования преподавателя к e-learning: поддержка преподавания в аудитории, включая возможность интеграции образовательных мини приложений; наличие средств подготовки занятий в аудитории; поддержка синхронного и асинхронного удаленного обучения. Для удовлетворения этих требований была разработана архитектура SOPA (Self-Organizing Processing and Streaming Architecture, www.sopa.inf.fu-berlin.de), обеспечивающая управление мультимедийными данными и потоковыми компонентами, связанными в граф потока, который изображает скомпонованный блок таких компонентов. На основе SOPA спроектирована и реализована программная систем E-Chalk (www.e-chalk.de), позволяющая сохранять и распространять через Internet лекции, читаемые с использованием доски и мела. Для редактирования материала лекций, сохраненных с использованием E-Chalk, разработана дополнительная программная система Exymen (www.exymen.de).

Следующую статью написали Магда Морад, Джерард Хэнли, Барбра Байд Сперлинг и Джек Гантер (Magda Mourad, IBM T.J. Watson Research Center, Gerard L. Hanley, Merlot, Barbra Bied Sperling, California State University, Jack Gunter, IBM Education Industry Solutions). Статья называется "Грядущий электронный рынок для высшего образования" ("Toward an Electronic Marketplace for Higher Education"). Ключевым процессом высшего образования является обнаружение, анализ и усвоение информации. Успешность участия в этом процессе преподавателей, студентов, библиотечного и административного персонала зависит от их возможности управляться с информацией и от умения поставщиков информации обеспечивать необходимые для этого средства. Простым примером является усвоение содержимого книг. Студенты должны покупать книги или брать их в библиотеке и читать их. Университет, в свою очередь, должен облегчать студентам задачу получения книги в своем книжном магазине или библиотеке. И эти два вида университетской деятельности обеспечивают контролируемый, надежный и выгодный рынок, на который издатели могут полагаться годами. Доступность электронного контента открывает перед университетами и издателями возможность совершенствования этого рынка. Модели доступа к информации, демонстрируемые, например, Google и Amazon, мотивируют появление образовательного электронного рынка (EDucational Electronic Marketplace, ede-marketplace), а также видоизменяют способы обнаружения, анализа и усвоения информации в академических институтах. Хотя создание такого рынка технически осуществимо, наличие некоторых практических проблем затрудняет рост он-лайновых продаж контента в сравнении с аналогичным рынком физических продуктов. Одной из помех является отсутствие стандартных методов построения безопасной системы управления цифровыми правами (Digital Rights Management, DRM), позволяющей определять, записывать, передавать, интерпретировать и проверять цифровые права. Ведутся работы над совершенствованием DRM и схем защиты контента, но реальной проблемой является создание двухточечных систем, в которых учитываются изменяющиеся потребности общества и мира бизнеса. В качестве первого шага к разработке такой системы Ватсоновская исследовательская лаборатория IBM и консорциум MERLOT (Multimedia Educational Resource for Learning and OnLine Teaching, www.merlot.org) выполнили совместную работу по исследованию проблем и возможных решений. В результате этого сотрудничества была разработана базовая архитектура, использованная разработчиками IBM для построения прототипа ede-marketplace, испытанного IBM и MERLOT в тестовом режиме. Результаты испытаний показали, что на основе предложенной архитектуры возможно построение доверительных сред, пригодных для применения издателями и пользователями для безопасного создания, управления и доставки цифрового контента.

Последняя статья тематической подборки называется "Stiquito для подготовки в областях роботехники и встроенных систем" ("Stiquito for Robotics and Embedded Systems Education"). Автор статьи – Джеймс Конрад (James M. Conrad, University of North Carolina-Charlotte). Робот – это любое электромеханическое устройство, получающее набор команд от человека и выполняющее их до тех пор, пока не получит команду остановиться. Исходя из этого определения, создание и программирование игрушечной машинки с целью придерживаться черной полосы на полу является примером работы с роботехническим устройством, а создание радиоуправляемой машинки – нет. Маленький шестиногий робот Stiquito многие годы используется в области образования. Изначально этот робот управлялся вручную с помощью двух переключателей, подсоединенных к нему кабелем. Отсутствие программируемого контроллера мешало работе академических исследователей, желавших использовать робот для изучения роботехники колоний (colony robotics) и систем с непредвиденным поведением (emergent system). Затруднением являлась низкая стоимость робота, из-за которой требовалось реализовать надежный контроллер, настолько же недорогой  и потребляющий мало энергии. В результате был создан новый автономный робот Stiquito Controlled, в котором используется микроконтроллер, обеспечивающий передний ход робота за счет координации движений его лап. Хотя контроллер продается заранее запрограммированным, преподаватели и исследователи могут его перепрограммировать для изучения других областей роботехники. Программируемая плата контроллера может использоваться отдельно для обучения понятиям встроенных систем.

Вне тематической подборки напечатаны две большие статьи. Большая группа авторов из Калифорнийского университета в г. Беркли (первый автор – Эрик Брюэ) представила статью "Аргументы в пользу технологии в развивающихся районах" ("The Case for Technology in Developing Regions"). В 2000 г. ООН сформулировала список основных целей, к достижению которых должно стремиться человечество. Одна из этих целей состоит в том, чтобы "сделать доступными преимущества техноологии, в особенности информационной и коммуникационной технологий". При наличии хорошего управления технология может значительно улучшить качество жизни. Однако большинством преимуществ технологии пользуются развитые страны, т.е. только часть мирового населения. Авторы статьи полагают, что технология должна играть большую роль и в развивающихся странах, что сегодняшняя тахнология "первого мира" плохо приспособлена для этих областей, и что по этой причине требуются исследования технологии для развивающихся районов. Несмотря на сравнительную незрелость исследований технологии в развивающихся районах, факты говорят, что доступ к технологии благотворно воздействует на экономику. Наиболее очевидным примером является сотовая телефония, но имеется и много других успешных приложений, часть из которых обсуждается в статье. В каталогах сайта infoDev (www.infodev.org) перечисляются сотни проектов, основанных на информационных и коммуникационных технологиях (ICT), и не все эти проекты достигли успеха. В большинстве этих проектов использовалась готовая к использованию технология, разработанная для развитых стран. Хотя очевидно, что имеются большие различия в стоимости, мощности и использовании, недостаточно хорошо исследованы различия в технологических потребностях между развивающимися и развитыми странами. Авторы статьи не считают ICT панацеей от все сложных проблем, стоящих на пути развития. Наоборот, ICT, в лучшем случае, обеспечат возможность новых решений только при наличии их ясного понимания и применении междисциплинарного подхода. При внедрении ICT должны учитываться сложные социальные проблемы, такие как половое и этническое неравенство, а также возможность противодействия действующих участников национальных рынков. Стратегия авторов статьи состоит в тесном взаимодействии со специалистами в области общественных наук и партнерстве с различными правительственными и неправительственными организациями. Исследование ограничивалось странами, в которых большая часть населения зарабатывает меньше $2000. В США среднегодовой доход населения составляет $37000, 85% мирового населения зарабатывают меньше, и 65% от их числа получают менее $4500. Конкретно, исследования базировались на данных из Индии, Бразилии, Бангладеж и Уганды. Целесообразность внедрения ICT в нстоящее время обуславливается тремя обстоятельствами. Во-первых, в соответствии с законом Мура уменьшилась стоимость компьютинга из расчета число центов на человека. Хотя эта стоимость применима только к совместности используемой инфраструктуре, а не к персональным устройствам, для первого вида компьютинга цена вычислений и хранения данных становится примлемой даже для наиболее бедных пользователей. Во-вторых, массовое производство средств беспроводной коммуникации, в частности, средств сотовой связи и WiFi, привело к снижению стоимости. В сельской местности беспроводная инфраструктура становится наиболее доступной. Наконец, широкое распространение технологии в мировом масштабе и возрастающий доступ к капиталам создают благоприятную среду для предпринимательства. У ICT-проектов имеются четыре основных технологических потребности: связность, низкостоимостные устройства, соответствующие интерфейсы пользователей и электропитание. Обеспечение связность в сельской местности является предпосылкой большинства ICT-проектов. Большая часть сельских районов не входит в зону действия сети. Низкая плотность населения делает невогодной установку дополнительных базовых станций. Требуется разработка и поддержка приложений, функционирующих без поддержки двухточечных соединений. Обеспечение низкостоимостных устройств открывает дорогу многим приложениям, нужно совершенстовать сотовые телефоны, понижать стоимость и стимулировать совместное использование экранов, батарей и процессоров. Требуется поиск новых видов интерфейсов, расчитанных на не слишком грамотных пользователей. Наконец, отсутствие качественного электропитания является основным барьером на пути внедрения ICT.

Наконец, статью "Рефлексия и абстракция при изучении человеческих аспектов инженерии программного обеспечения" ("Reflection and Abstruction in Learning Software Engineering’s Human Aspects") написали Орит Хаццан и Джеймс Томэйко (Orit Hazzan, Technion-Israel Institute of Technology, James E. Tamayko, Carnegie Mellon University). Сложность сред разработки программного обеспечения включает познавательные и социальные аспекты профессии. В курсе, разработанном для повышения уровня осведомленности об этих аспектах, содержится введение в рефлективные познавательные процессы и предлагаются задачи, для решения которых требуется абстрактное мышление. Рефлективные и абстрактные методы мышления играют ключевую роль в обучении инженеров программного обеспечения и в их практике. Вообще говоря, концепция рефлективной перспективы, введенная Дональдом Шоном, подразумевает то, что профессионалы (архитекторы, менеджеры, музыканты и т.д.) переосмысливают и исследуют свою работу в течение созидательного процесса и по его завершении. Концепция основана на том предположении, что такая рефлексия способствует повышению квалификации и эффективности профессионала. Важность рефлексии как образа мышления в контексте инженерии программного обеспечения следует из двух факторов: сложности разработки программного обеспечения, независимо от того, оценивается ли эта сложность с инженерной, архитектурной или проектной точки зрения; важной роли общения между членами команды при успешной разработке программной системы. В областях компьютерных наук и инженерии программного обеспечения разработаны эвристики для преодоления познавательной сложности разработки программного обеспечения. Одна из этих эвристик – абстракция – фокусируется на решении сложных проблем. В дополнение к общим процессам абстракции разработчики программного обеспечения должны думать в терминах разных уровней абстракции и перемещаться между ними в процессе разработки. Значимость  абстракции в процессах инженерии программного обеспечения подчеркивает роль этого подхода при обеспечении осведомленности студентов о преимуществах его использования и в практической деятельности, и как метода мышления. В курсе обсуждаются следующие темы: природа инженерии программного обеспечения; методы программного обеспечения; работа в команде; моральный кодекс инженерии программного обеспечения; программное обеспечение как продукт; международная перспектива программного обеспечения; понимание программ; процессы изучения программного обеспечения; перспективы инженерии программного обеспечения; принципы разработки программного обеспечения; человеческие аспекты программного обеспечения и его инженерии; история инженерии программного обеспечения; анализ примеров.

Это все, чем я могу порадовать вас в связи с июньским номером журнала Computer. До свидания, Сергей Кузнецов.