В 2007 г. сентябрьский номер журнала почти целиком посвящен одной теме - планшетным ПК (tablet PC): пять больших статей и заметка приглашенных редакторов. Редакторами тематической подборки являются Джейн Прей и Альф Вивер (Jane Prey, Microsoft Research, Alf Weaver, University of Virginia). Редакторская заметка называется «Технология планшетных ПК: следующее поколение» («Tablet PC Technology: The Next Generation»).

Что же такое планшетные ПК? Это всего лишь причуда, или же они действительно играют важную роль в компьютерной среде? В Википедии планшетные ПК определяются следующим образом: «Планшетный ПК - это переносной компьютер в форме ноутбука или грифельной доски. Применяемая в планшетных ПК технология сенсорных экранов, или цифровых планшетов позволяет пользователям вводить данные с помощью стилуса (цифрового пера) или пальцев вместо клавиатуры или мыши. Конструктивные особенности планшетных ПК обеспечивают более мобильный способ взаимодействия с такими компьютерами. Планшетные ПК часто используются в таких условиях, где обычные ноутбуки являются непрактичными, слишком громоздкими или не обеспечивающими требуемые функциональные возможности».

Концепция планшетного ПК не является новой; идеи компьютеров с вводом данных с помощью пера возникли в конце 1960-х - начале 1970-х гг. стараниями таких провидцев, как Алан Кей (Alan Kay), Батлер Лампсон (Butler Lampson) и Чак Тэкер (Chuck Thacker), и новаторских компаний, таких как Xerox PARC. Dynabook Алана Кея, созданный в 1968 г., удивительно похож на сегодняшние планшетные ПК. Но тогдашние технологии были далеки от совершенства. Многие попытки создания компьютеров с вводом на основе пера потерпели неудачу из-за непригодного пользовательского интерфейса, неточного распознавания рукописного текста и плохого качества цифровых преобразователей.

Компания Microsoft вступила в борьбу на этом рынке в 1999 г., представив экспериментальный компьютер на основе процессора Transmeta TM5800. При поддержке 256 МГб основной памяти, 20-гигабайтного диска и планшетного экрана с диагональю 10.4 дюйма в этой машине удалось добиться существенного продвижения в области электропитания от батарей: 5 часов работы в активном режиме и 200 часов в режиме ожидания. Но коммерческого успеха этот компьютер не имел, потому что был исключительно медленным.

Теперь все изменилось. Gartner Group предсказывает рост продаж планшетных ПК в 2008 г. в связи с внедрением ОС Microsoft Vista. В то время как ранее планшетные ПК активно использовались в областях страхования, здравоохранения, государственной безопасности и управления недвижимостью, Gartner полагает, что следующей областью широкого распространения этих компьютеров станет высшее образование. В отчете Gartner отмечается, что последние два года среди преподавателей и студентов высшей школы возрастающей популярностью пользовались так называемые «трансформируемые (convertible) ПК», сочетающие черты традиционных ноутбуков и планшетных ПК.

Первопроходцы из области высшего образования разрабатывают на основе планшетных ПК учебные платформы, в которых применяются методы активного обучения и поддерживается взаимодействие преподавателя со студентами и студентов друг с другом. Ряд таких разработок описывается в статьях данного номера журнала Computer.

Первая статья тематической подборки называется «Волшебная бумага: исследование понимания эскизов» («Magic Paper: Sketch-Understanding Research»). Автор статьи Рэндел Дэвис (Randall Davis, Massachusetts Institute of Technology).

Рисование набросков является общераспространенным занятием. Мы рисуем во время размышлений, при решении проблем, в процессе общения. Эскизы создаются как при проектировании (например, на этапе создания концептуальных схем), так и при анализе (например, при решении головоломных проблем из областей физики или электронных схем).

К сожалению, сегодняшняя технология позволяет создавать только безжизненные эскизы, представляющие собой листы бумаги со следами графита или просто пиксели цифровых чернил планшетного ПК. Группа понимания эскизов в MIT работает над созданием «волшебной бумаги» - поверхности, но которой можно рисовать настолько же естественно и удобно, как и на бумаге, но которая при этом «понимает» то, что на ней рисуется.

Что означает выражение «бумага понимает»? Пример показан на рисунке, иллюстрирующем предыдущую работу авторов. Система Assist (A Shrewd Sketch Interpretation and Simulation Tool) позволяет рисовать эскизы простых двумерных устройств, позволяя затем наблюдать их поведение. Система Assist понимает эскиз, показанный на рисунке наверху слева (a), в том смысле, что интерпретирует графические данные так же, как и человек (в данном случае она понимает, что нарисована наклонная плоскость с находящейся на ней колесной тележкой, рисунок наверху справа (b)). Как показано на рисунке внизу (c), система передает эту интерпретацию физическому симулятору, который анимирует устройство, обеспечивая пользователю ощущение рисования на интеллектуальной («волшебной») бумаге.

Смысл, в котором система понимает эскиз аналогично пониманию человека, иллюстрируется следующей деталью. Колеса (голубые кружочки) прикрепляются к корпусу тележки шарнирами (розовые кружочки), однако пользователь рисует колеса и шарниры в виде одной и той же геометрической фигуры (круга). Система интерпретирует круг по-разному на основе контекста - кружочек может соответствовать шарниру только в том случае, если он нарисован поверх двух тел, которые уже перекрываются (в данном случае, это корпус тележки и колесо).

Авторы создали системы понимания эскизов для разных предметных областей, включая построение эскизов для моделирования физических явлений, диаграмм UML, аналоговых схем и химических структур.

Следующая статья - «Чернила, импровизация и интерактивное взаимодействие» («Ink, Improvisation, and Interactive Engagement: Learning with Tablets») представлена авторским коллективом из шести человек. Первым в списке авторов указан Джереми Рошель (Jeremy Roschelle, SRI International).

В одном из первых зафиксированных размышлений, посвященных педагогике, говорится о том, как Сократ рисовал на песке фигуры, чтобы продемонстрировать Менону, что раб уже знает, как построить квадрат с площадью, в два раза большей площади заданного квадрата. Сократ стремился показать, что ему не требуется учить, а лишь вовлечь в память ученика знания из его прошлой жизни.

Сегодня мы больше не считаем обучение всего лишь «воспоминанием». Для нас обучение - это активный, конструктивный процесс, основывающийся на ранее полученных знаниях. В более общем смысле, науки об обучении (learning sciences) способствуют существенному прогрессу в нашем понимании процесса обучения, включая активное участие учащихся; сосредоточение на построении знаний; обратную связь и самооценку, ведущие к адаптивному обучению; участие в сообществе учащихся.

Несмотря на изменение точки зрения на обучение под влиянием современных научных исследований, педагогический подход Сократа остается актуальным. Греческий философ экспромтом нарисовал на песке неформальный эскиз для формирования структуры интерактивного учебного упражнения, вовлекающего участие ученика. Почему Сократ не подготовил свои аргументы до начала занятий с использованием PowerPoint своего времени - зубила и каменной глыбы? На ум приходит несколько возможных причин.

Во-первых, в нарисованном от руки наброске, вероятно, лучше отражались ключевые понятия, которые Сократ хотел донести до своего ученика, чем это могло бы получиться в хорошо подготовленной, выбитой зубилом презентации. Во-вторых, возможно, неформальный эскиз более эффективно приглашал ученика к активному участию в размышлениях, чем это могло бы получиться при использовании более формального фиксированного чертежа. В третьих, синхронизованные действия по рисованию, жестикуляции и обсуждению позволяли Сократу привлечь внимание своего студента к смыслу чертежа, который он рисовал на песке. В четвертых, задавая зондирующие вопросы, Сократ много узнавал о существующем уровне знаний студента, что позволяло ему адаптировать свое обучение к потребностям студента.

Этот пример объясняет, почему сегодняшние аудиторные преподаватели могут предпочесть планшетные ПК другим переносным компьютерам. По сравнению с клавишным вводом, рукописный ввод данных может помочь более живо выразить важные идеи. Например, при написании от руки математическая нотация выглядит более естественно, чем при вводе с клавиатуры. При рукописном вводе преподаватели также могут выделять и пояснять слова и чертежи, привлекая, таким образом, внимание студентов к этим визуальным представлениям и в то же время заранее подготавливая сложные визуальные учебные пособия.

Планшетные ПК могут также помогать адаптировать обучение и привлекать к участию в нем учеников. Сегодняшние аудитории становятся полностью беспроводными, что позволяет преподавателям собирать и агрегировать данные, поступающие от учащихся.

Многие преподаватели проводят эксперименты с системами ответного реагирования студентов, иногда называемыми кликерами. При использовании подобной системы лектор, например, предлагает студентам зондирующий вопрос с несколькими вариантами ответа. Сначала учащиеся анонимно предлагают свои ответы, и результаты агрегируются в гистограмму, позволяющую учащимся и преподавателю увидеть общую картину ответов. В общем случае часть ответов является правильными, а часть - нет. Затем учащиеся вовлекаются в обсуждение со своими соседями вопроса и ответов на него. После этого преподаватель проводит дополнительное голосование. В зависимости от результатов голосования выбирается путь дальнейшего обучения. Если правильный ответ на вопрос дало только несколько учащихся, тот же материал излагается повторно в другом стиле. Если большинство учащихся ответило правильно, преподаватель переходит к новому материалу. Суть метода состоит в комбинации проверочных вопросов и самообучения учащихся.

Этот метод позволяет улучшить качество преподавания и обучения за счет сокращения времени получения преподавателем обратной связи с учащимися; предоставления преподавателю возможности адаптировать обучение; поощрения самостоятельных и отслеживания их прогресса; привлечения учащихся к отстаиванию своей точки зрения.

Планшетные ПК обеспечивают более развитые взаимодействия, чем те, которые возможны на основе кликеров. Одним из приложений, подтверждающих эту мысль, является система Classroom Presenter, отправной точкой для создания которой является обычная ситуация, когда преподаватель в аудитории демонстрирует учащимся слайды, заранее подготовленные в PowerPoint. Используя Classroom Presenter, преподаватель может собирать аннотации и эскизы студентов, относящиеся к конкретному слайду, и использовать собранную информацию для последующего обсуждения. Например, преподаватель может попросить студентов изобразить следующий шаг визуализации алгоритма, а затем вынести на обсуждения возможные варианты.

И кликеры, и Classroom Presenter являются мощными новыми средствами аудиторного обучения, но в обоих средствах подразумевается, что преподаватель явно координирует всеми взаимодействиями. Эти системы не поддерживают координированное использование технологических возможностей студентами. Авторы описывают разработку программной платформы, поддерживающей координацию взаимодействий между учащимися и преподавателем.

Автором статьи «Распознавание рукописного текста: ввод текста в планшетных ПК» («Handwriting Recognition: Tablet PC Text Input») является Джеймс Питман (James A. Pittman, Microsoft).

Проблемы ввода данных для переносных электронных устройств продолжают существовать. Вспомогательные клавиатуры (keypad) для PDA, QWERTY-клавиатуры на корпусе мобильных телефонов, виртуальные клавиатуры трудно использовать, а с полноразмерными подключаемыми клавиатурами неудобно работать в ограниченном пространстве, например, в самолетах. В некоторых ситуациях распознаваемый компьютером рукописный ввод является полезной альтернативной возможностью при вводе небольших объемов текста.

Однако практическое распознавание рукописного текста является непростой задачей. Системы распознавания рукописного текста должны не только справляться с различными формами букв и стилями их написания, но них также должно учитываться, что люди при ручном написании редко воспроизводят правильные формы букв. Точное и правильное написание текста занимает слишком много времени. Большинство людей жертвует правильностью формы букв для ускорения написания текста, производя небрежный текст (sloppy script). Обычно пишущие люди доводят до максимума скорость письма, ухудшая разборчивость текста до того предела, какого позволяет достигнуть отрицательная реакция читателей этого текста.

Люди могут читать небрежный рукописный текст по причине наличия контекста, который состоит из внутрисловного контекста (большинство последовательностей букв не является словами) и межсловного контекста (большинство последовательностей слов бессмысленно). Для распознавания небрежного текста распознаватель должен пользоваться тем же контекстом, что и читатели-люди. Использование межсловного контекста пока находится на стадии исследований, но в распознавателях планшетных ПК активно используется внутрисловный контекст, обычно в форме лексикона.

Однако применение лексикона порождает новые трудности. Кроме обеспечения исчерпывающего покрытия языка, системы должна также покрывать все жаргоны и сленги, особенно внимательно относясь к оскорбительным словам. В их число входят не только сексуально запретные слова, но также оскорбления на расовой и этнической почве, а в некоторых культурах и богохульства.

Компания Microsoft занимается компьютингом на основе рукописного ввода с начала 1990-х гг. В 1992 г. был выпущен продукт Windows for Pen Computing, а Pen Services являлись компонентом Windows 95. Хотя эти продукты не имели рыночного успеха, небольшая группа в Microsoft продолжала работать над технологией распознавания рукописных текстов. Эта группа производила распознаватели для стран Восточной Азии, в основном, для Pocket PC под управлением Windows CE. В 1997 г. группа освоила технологию распознавателей для рукописных текстов на английском языке, а потом и на французском и немецком языках.

Глава Microsoft Билл Гейтс продолжал верить в мечту о компьютинге на основе рукописного ввода, предсказывая, что технический прогресс и сокращение стоимости в конце концов позволят создать успешный продукт. В 2000 г. в компании была сформирована группа планшетных ПК для создания версии Windows XP с рукописным вводом. Группа распознавания рукописных текстов вошла в состав новой группы и с приливом энергии (и финансирования) распространила свою технологию на распознавание текстов на большинстве языков Запада.

Программное обеспечение планшетных ПК больше не является изолированным. Теперь оно включается в наиболее продвинутые версии ОС Vista, выпущенные Microsoft в январе 2007 г. Распознаватель рукописных текстов в ОС Vista чрезвычайно усовершенствован. В нем поддерживается персонализация и выдача сообщений об ошибках.

Группа постоянно работает над распознаванием текстов на новых языках. Ко времени написания данной статьи, в июне 2007 г. продолжалась работа над построением распознавателей текстов на каталанском, хорватском, чешском, датском, финском, норвежском, польском, португальском (для Португалии), румынском, русском, сербском (с отдельной поддержкой латиницы и кириллицы) и шведском языках. Выпуск продуктов производится не по графику, а по мере достижения заданных критериев качества.

Группа начала исследовательскую работу над распознавателями для трех новых языков, не входящих в орфографические семейства языков предыдущих продуктов: арабского, иврита и хинди. При распознавании текстов на этих языках возникают новые проблемы, которые не встречались при работе с кириллической, латинской и восточно-азиатской орфографиями.

Шесть авторов из Вашингтонского университета написали статью « Classroom Presenter: совершенствование интерактивного обучения с использованием цифровых чернил» («Classroom Presenter: Enhancing Interactive Education with Digital Ink»). Первым в списке авторов указан Ричард Андерсон (Richard Anderson, University of Washington).

По мере насыщения учебных аудиторий различными устройствами перед высшим образованием встает дилемма: будут ли постоянные отвлечения на коммуникации приводить к утрате внимания студентов, или же эти устройства могут способствовать повышения качества образования?

Авторы статьи полагают, что применение новой технологии может способствовать существенным позитивным изменениям в аудиторном преподавании и решению проблем традиционного лекционного обучения. В ожидаемом авторами будущем у студентов будет иметься доступ к разнородному набору сетевых устройств, используемых в разнообразных аудиторных приложениях, включая сбор комментариев, взаимодействие с презентационными материалами, имитационное моделирование, внутриаудиторные коммуникации и доступ к внешним ресурсам.

Работа авторов посвящается применению сетевых планшетных ПК для содействия взаимодействию студентов с электронными слайдами лекторов. Планшетные ПК используются для обеспечения коммуникаций между студентами и преподавателем с целью совершенствования активного обучения.

Повсеместное внедрение электронным образом проецируемых слайдов произвело технологическую и педагогическую революцию в аудиторном обучении. Позитивной стороной этой технологии является обеспечение структуризации аудиторных занятий и предоставление лектору возможности снабдить свои лекции качественными иллюстрациями и примерами. С другой стороны, жесткая структура слайдов вступает в конфликт со многими требованиями к обучению.

Обучение с использованием слайдов опирается на фиксированный линейный контент и на взаимодействие типа «один ко многим» с ограниченной обратной связью с учащимися. Однако для обеспечения хорошего уровня преподавания требуется понимание преподавателем уровня усваивания студентами учебного материала, возможность адаптации преподавателя к текущим потребностям студентов, вовлечение студентов в процесс активного обучения.

В качестве основы аудиторного преподавания в подходе авторов используются лекции со слайдами, однако для повышения эффективности обучения они предлагают использовать разработанную ими распределенную систему поддержки внутриадиторных взаимодействий Classroom Presenter, основанную на использовании планшетных ПК. В системе Classroom Presenter поддерживается возможность совместного рукописного ввода текста и изображений на слайды, которые могут демонстрироваться на экранах индивидуальных ПК или отображаться в публичном режиме.

Основной сценарий использования системы состоит в том, что преподаватель пишет на слайде аннотации, которые немедленно отображаются на общем экране. Возможность дополнять слайды в режиме реального времени для выделения или пояснения требуемых аспектов делает обычную презентацию более динамичной. В том случае, когда у студентов также имеются планшетные ПК, Classroom Presenter поддерживает двунаправленное разделение данных между устройствами студентов и преподавателя. Кроме того, что студенты в реальном времени получают на экранах своих ПК слайды и пометки преподавателя, они могут сами писать на слайдах и анонимно отсылать их преподавателю. После этого преподаватель может показать выборку из представленных студенческих работ на общем экране.

Этот сценарий представления студентами своих текущих соображений является центральным в разработанном авторами методе преподавания с использованием интерактивных устройств. Например, преподаватель может подготовить презентацию лекции, для работы с несколькими слайдами которой требуется участие студентов. После демонстрации такого слайда, обычно содержащего ряд вопросов, преподаватель просит студентов написать на слайде ответы и вернуть их ему. После этого он быстро и конфиденциально просматривает все ответы и показывает некоторые из них на общем экране.

Это позволяет преподавателю предлагать студентам различные идеи, показывать новые решения и обсуждать ошибки в ответах студентов. Использование общего экрана дает возможность привлекать внимание студентов и обеспечивает механизм интеграции индивидуальной работы студентов в общий процесс чтения лекции.

Последняя статья тематической подборки называется «Содействие педагогической практике путем широкомасштабного внедрения планшетных ПК» («Facilitating Pedagogical Practices through a Large-Scale Tablet PC Deployment»). Ее написал Джозеф Тронт (Joseph G. Tront, Virginia Tech).

Несомненно, что во время своих многочисленных бесед Сократ и Платон обсуждали способы совершенствования обучения студентов. Хотя они не имели возможности размышлять о воздействии современной компьютерной и коммуникационной технологии, они должны были обсуждать методы активного вовлечения студентов в процесс обучения.

Хотя сегодняшние выдающиеся преподаватели по-прежнему полагаются на методы Сократа для вовлечения студентов в учебный процесс, многие из них теперь обращаются к технологии, поддерживающей эти активные совместные занятия. Мобильные вычислительные и коммуникационные устройства, такие как планшетные ПК, при наличии высокопропускной коммуникационной инфраструктуры помогают повысить качество интерактивного преподавания, содействуя совершенствованию учебного процесса.

Осенью 2006 г. Технический колледж Вирджинского технического университета стал первым техническим колледжем, обязавшим всех поступающих студентов использовать планшетные ПК. Целью новой программы является улучшение поддержки педагогической практики, что, как ожидается, приведет к повышению уровня обучения.

В колледже будут поддерживаться интерактивные аудиторные презентации, а также совместная самостоятельная работа студентов и при участии преподавателей. Применение новой технологии будет также стимулировать всестороннее комментирование и критику лекционного материала со стороны студентов и способствовать ориентации лекций на общий процесс обучения (в отличие от простого широковещательного характера традиционных лекционных курсов).

Для крупного многостороннего внедрения новой технологии требуется энтузиазм и поддержка многочисленных участников проекта. Для принятия решений по поводу вариантов аппаратуры и программного обеспечения требуется информация со всего университета. Условием успешного выполнения проекта является подготовка преподавательского и технического персонала. К числу производственных проблем относится совершенствование инфраструктуры, включая связность сети, дополнительное проекционное оборудование в аудиториях и возрастающее энергопотребление. С самого начала в стратегии реализации проекта предполагались глубокий и частый анализ успехов и неудач, а также выявление возможностей, потенциально полезных в будущем.

Начальные результаты проекта оказались положительными. Они показывают ощутимый прогресс в педагогической практике, который, как полагают авторы, приведет к повышению качества обучения.

Авторами единственной большой статьи, опубликованной вне тематической подборки, являются Син Пайпер, Майкл Шульте и Джоанн Пол (Sean M. Pieper, Michael J. Schulte, University of Wisconsin-Madison, JoAnn M. Paul, Virginia Tech). Статья называется «Новая эра оценки производительности» («A New Era of Performance Evaluation»).

С 1943 г. в качестве основных показателей производительности компьютеров исследователи используют значения задержки (latency) и пропускной способности (throughput). Эти показатели считались удовлетворительными, потому компьютеры использовались сравнительно простым образом.

Неявное предположение состоит в том, что данные являются доступными по требованию, и что на время выполнения программы могут влиять только объемы данных и их содержимое. Это подразумевает пакетный стиль выполнения, когда для определения общей производительности достаточно измерить скорость выполнения каждой программы, включая операционную систему. Для целей оценки производительности программы являются всего лишь расширенными инструкциями - для них всегда лучше уменьшенное значения показателя задержки и увеличенное значение показателя пропускной способности. На этой позиции основывается разработка эталонных тестовых наборов SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation, см. также http://www.osp.ru/os/2000/07-08/178080/_p3.html) и EEMBC (Embedded Microprocessor Benchmark Consortium, см. также здесь и здесь), которые составляются из заданий в пакетном стиле, выполняемых в изоляции.

Для многих новых вычислительных систем такая оценка является вводящей в заблуждение. Компьютеры все больше взаимодействуют с людьми, физическим миром и друг с другом - часто одновременно. В этом контексте общая производительность является функцией, зависящей не только от отдельных приложений, но и от их взаимодействий, поскольку они соревнуются за обладание внутренними и внешними ресурсами. Например, в мобильных телефонах часто производится программная обработка основной передачи (baseband). Беспроводные коммуникации происходят скорее не по требованию, а по времени, и имеются строгие требования, ограничивающие допустимый промежуток времени, в течение которого обработка должны быть завершена. Другие задачи, такие как поддержка видеоконференций, зависят от этого программного обеспечения, но и они конкурируют с ним на ресурсы памяти и процессора. Подсистемы ввода-вывода, над которыми почти или полностью отсутствует контроль процессора, и взаимозависимости между отдельными программами подрывают модель пакетной обработки, а именно они являются важными аспектами нового стиля вычислений.

Исследователи должны описывать использование современного компьютера в терминах сценариев, включающих многочисленные потоки ввода-вывода, информацию о временных соотношениях и параллельные задачи, которые могут поступать в систему и покидать ее, а не в терминах выполнения программ, изолированных от внешнего мира и друг от друга. Подобное использование представляет новый стиль компьютинга, который авторы называют сценарно-ориентированным в отличие от других традиционных стилей компьютинга, таких как стиль общего назначения и стиль, ориентированный на приложения.

Методы оценки производительности, разработанные для вычислений в стиле общего назначения и стиле, ориентированном на приложения, оказываются неудовлетворительными для сценарно-ориентированного стиля. Существующие тестовые наборы не отражают особенности современного использования компьютеров, и их показатели не соответствуют представлениям пользователей о производительности вычислительных систем.

Авторы приглашают членов компьютерного сообщества присоединиться к ним для решения этой проблемы. Для контактов следует использовать электронный адрес soar@ece.wisc.edu, а дополнительную информацию можно получить на сайте www.ece.wisc.edu/~soar.

Напоминаю всем читателям, что приближается конец года, а значит, пора позаботиться о продлении своего членства в IEEE Computer Society. Необходимую информацию можно найти на этом сайте. При возникновении вопросов обращайтесь ко мне.