Виртуальная модель предметной области дисциплины "Представление знаний в информационных системах"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

• Введение
• 1. Анализ предметной области
• 1.1 Индустрия компьютерных игр
• 1.2 Анализ, сравнение и выбор жанра обучающей игры
• 1.3 Анализ существующих программных средств в области компьютерных образовательных систем
• 2. Постановка задачи
• 2.1 Исследование и разработка графика кривой сложности
• 2.2 Актуальность разработки
• 2.3 Обоснование использования виртуальной модели
• 2.4 Обзор средств для разработки функциональных модулей
• 3. Разработка виртуальной модели предметной области
• 3.1 Сюжет
• 3.2 Модель базы знаний
• 3.3 Анализ и выбор среды разработки игрового приложения виртуальной модели
• 3.3.1 Corona SDK
• 3.3.2 Unreal Engine
• 3.3.3 Game Maker
• 3.3.4 Construct 2
• 4. Разработка алгоритмов построения виртуальной модели предметной области
• 4.1 Алгоритм динамической настройки сложности
• 4.2 Алгоритм реакции окружения виртуальной среды на успешность прохождения игры пользователем
• 5. Разработка моделей баз данных виртуальной предметной области
• 6. Разработка и реализация программных модулей
• 6.1 Описание программных модулей на языке JavaScript
• 6.2 Отладка и экспериментальное тестирование модулей
• Заключение
• Список использованных источников
• Приложение
• ВВЕДЕНИЕ
• виртуальная модель информационный алгоритм
• После 31 декабря 2010 года в России в соответствии с новыми Федеральными государственными образовательными стандартами двухуровневая система высшего образования «бакалавриат (4 года) - магистратура (2 года)» стали основными для выпускников ВУЗов, что соответствует принципам Болонской системы, распространенной в Европе и Северной Америке.
• Введение системы бакалавриата в качестве основной формы получения высшего образования подразумевает большее количество часов, выделяемых на самостоятельную работу.
• В связи с этим в педагогической деятельности необходимо уделять особое внимание механизмам влияния на мотивацию учебы, сознание и поведение студентов, разработку эффективной педагогической технологии воспитания обучающихся в ходе образовательного процесса.
• Эти задачи могут быть решены при применении игровых форм обучения, так как игры позволяют эффективно организовать творческое взаимодействие преподавателя и студентов, создают условия для формирования личностных качеств.
• В своё время на способностях игры решать задачи обучения и воспитания акцентировали внимание классики зарубежной и отечественной педагогики (А. Дистервег, Ф. Фребель, П.Ф. Каптерев, Н.К. Крупская, А.С. Макаренко, К.Д. Ушинский, С.Т. Шацкий, В.А.Сухомлинский) [1].
• Именно поэтому целью нашей работы является обучающая игра, призванная улучшить показатели успеваемости и вовлечённости в предмет студентов.
• Разрабатываемая нами игра по сути представляет собой ряд сцен, объединённых общим сюжетом и игровой механикой. В каждой сцене игроку предстоит решить задачу, основанную на информации курса “Представление знаний в информационных системах”, чтобы продвинуться дальше.
• Баланс между информативной частью игры и её увлекательностью - это важный параметр любой обучающей игры. В данном случае он достигается за счёт 3 взаимосвязанных компонентов: продуманного сюжета, разнообразного игрового процесса и многоуровневой генерацией.
• Используя все 3 компонента, нам удаётся поддерживать для игрока-студента баланс между увлечённостью, информативностью и сложностью материала. Это осуществляется благодаря инновационным методам расчёта сложности заданий таким образом, чтобы игра могла предоставить как увлекательность, так и информативность любому студенту, независимо от уровня его знаний. Адаптация игры под уровень пользователя происходит автоматически и не требует вмешательства администратора.
• Игровой метод был протестирован на небольшой целевой аудитории студентов, и будет масштабирован на студентов курса «Представление знаний в информационных системах».
• С докладом по теме «Компьютерная игра как активный метод получения знания в системе прикладного бакалавриата» прошло выступление в рамках молодежного научного форума «Молодые исследователи - регионам» в апреле 2017 года в г. Вологда. В рамках форума, организованного при участии Вологодского государственного университета, проводилось несколько мероприятий, одним из которых была международная научная конференция «Молодые исследователи - регионам». По итогам выступления тезисы были рекомендованы к публикации в сборнике материалов международной научной конференции «Молодые исследователи - регионам».
• Выпускная квалификационная работа состоит из шести разделов.
• В первом разделе работы производится анализ предметной области. Разбирается понятие игр в целом, эволюция игр. Производится анализ различных жанров и существующих аналогов. Происходит выбор жанра разрабатываемой обучающей игры.
• Во втором разделе описывается поставленная задача и проведённое исследование оптимальной карты сложности игровых уровней. Так же после описания задачи происходит анализ и выбор программных средств для реализации игры.
• В третьем разделе описано создание фундамента любой игры данного жанра: написание сюжета и выбор среды разработки.
• В четвёртом разделе описаны самые важные алгоритмы для придания гибкости обучающей игре.
• В пятом разделе описаны особенности базы данных и приведена структурная схема проекта.
• В шестом разделе описаны программные модули и проведено тестирование приложения.
• 1. АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ
• Исследователи ИИ зачастую используют теории представления знаний из науки «когнитологии». В ней присутствуют такие методы, как фреймы, правила вывода и семантические сети. Все они пришли в ИИ из обработки информации человеком. Поскольку знание используется для достижения разумного поведения, фундаментальной целью дисциплины представления знаний является поиск таких способов представления, которые делают возможным процесс логического вывода, то есть создание знания из знаний. [2]
• Важно ответить на следующие вопросы при разработке виртуальной модели по конкретной предметной области - «Представление знаний в информационных системах»:
• - какие знания входят в описательную область дисциплины;
• - как люди видят и представляют входящие в описательную область дисциплины знания;
• - какова природа знаний по дисциплине.
• Что касается уже непосредственно разрабатываемой модели, а не предметной области, то она тоже должна отвечать на ряд важных вопросов:
• - знания виртуальной модели и как люди их представляют;
• - какова природа знаний, которые представлены в виртуальной модели;
• - схема представления, как она должна быть: связана ли она с частной областью знаний или общецелевая;
• - степень понятности и выразительности данной схемы представления знаний виртуальной модели предметной области;
• - схема должна быть процедурной или же декларативной.
• Уже существует довольно много обсуждений насущных, описанных выше, вопросов представления знаний и исследований в этой области. Так же обозначены хорошо известные и изученные проблемы, такие как «задача навигации в сети узлов», «категоризация» и «классификация». [3]
• Однако, решать сложные задачи можно и упрощённо. Используя при этом правильный выбор метода представления знаний. Каждый метод может сделать какую-либо область знаний очень легко представимой. Например, диагностическая экспертная система MYCIN [4] использовала схему представления знаний, которая была основа на правилах. Неправильный же выбор метода довольно сильно затрудняет обработку знаний и информации.

1.1 Индустрия компьютерных игр

Индустрия компьютерных игры (интерактивных развлечений) - это сектор экономики, который тесно связан с разработкой и продажей, а также продвижением компьютерных игр. Туда входит большое количество различных специальностей. [5]

Индустрия игр начала свою историю с 1970-х годов как новаторское движение энтузиастов, и за пару десятилетий выросла из маленького рынка в полноценное производство с годовой прибылью в 74,2 миллиарда долларов - по данным исследовательской компании SuperData за 2015 год. [6]

На рынке присутствуют и крупные компании (EA, Activision, Origin Systems, Capcom), и совсем небольшие фирмы, а также стартапы и независимы разработчики или сообщества (Kickstarter).

Современные компьютеры предоставили множество новых технологий игровой индустрии. Пожалуй, к самым значимым относят звуковые и видео карты, CD- и DVD-приводы, а также центральные процессоры.

Звуковые карты разработаны изначально для добавления качественного цифрового звука в компьютерные игры, и только сильно позже они стали усовершенствоваться и использоваться для чисто музыкальных потребностей пользователей.

Графические процессоры, которые со временем эволюционировали в направлении большего количества поддерживаемых цветов (современные видеокарты поддерживают глубину цвета до 30 бит), позже они стали развиваться для аппаратной поддержки различных графических интерфейсов пользователя (англ. GUI) и игр. Для графических интерфейсов было необходимо увеличение разрешения экрана, а для игр -- ускорение не только двумерной, но и трёхмерной графики.

CD и DVD приводы же изначально были разработаны как довольно недорогой и надежный способ хранения и передачи (или распространения) любых типов данных. Однако, позже, когда эти технологии стали использоваться в компьютерных играх, началось развитие CD и DVD приводов в сторону увеличения скорости чтения данных.

Современные игры -- пожалуй, одни из самых требовательных приложений на ПК. А с появлением виртуальной и дополненной реальности, возможно, самые требовательные. Многие мощные компьютеры, приобретаемые пользователями, имеют значительные технические характеристики, которые им нужны для запуска новейших игр, в которых используются самые передовые технологии. Получается, что игровая индустрия очень тесно связана с неигровой индустрией производства ЦПУ и других компонентов ПК. Всё это потому, что игры зачастую более требовательны к аппаратным мощностям, чем обычные бизнес-приложения.

Бен Сойер (англ. Ben Sawyer) из Digitalmill изучает цепочку ценности игровой индустрии как ту, которая составлена из связанных, но хорошо различимых, шести слоев:

- уровень издательства и капитала: издатели оплачивают разработку новых проектов и прототипов и извлекают прибыль благодаря лицензированию наименований;

- уровень продукта и талантов: он включает в себя таких разработчиков, дизайнеров, художников и композиторов, которые способны работать как по индивидуальным контрактам (фриланс), так и в составе большой группы разработчиков;

- уровень создания и технологий: является основным источником средств разработки игр, которые настраиваются и расширяются благодаря улучшению игровых движков, связующего ПО, а также средств управления разработкой;

- уровень распространения (или же индустрия издателей): являет собой создание перечней игр и их продвижение в интернете и розничных магазинах;

- уровень аппаратного и программного обеспечения: сюда входят в основном аппаратные платформы, среди них есть и такие, как консоли или мобильные устройства. В этот уровень в данный момент входят ещё и неаппаратные платформы - виртуальные машины (например Flash или Java) или программные платформы, такие как браузеры и социальные сети (в последнее время), например, Facebook;

- уровень конечных пользователей. Другими словами, потребителей игр или пользователей/игроков.

История всей индустрии компьютерных игр началась ещё в 1971 году с запуска аркадной игры «Computer Space». Через год компания Atari уже выпустила первую коммерчески, и не только, успешную видеоигру Pong. Успешность этой игры открыла другим аркадным автоматам дверь в "золотую эру". Путь в такие общественно значимые места как массовые торговые центры, ещё не такие популярные торговые залы, традиционные рестораны и круглосуточные магазины. Во всем мире всего было продано чуть более 360 тысяч аркадных автоматов с установленной игрой «Space Invaders», таким образом в 1982 году эта игра заработала 2 (два) миллиарда долларов монетами по 25 (двадцать пять) центов, что составляет 4,6 миллиарда долларов в современной валюте.

К началу 1980-х "золотая эра аркадных игр" была ещё далека от завершения. Объем рынка автоматов с аркадами в США довольно значительно увеличился с $50 млн. в 1978 до $900 млн. в 1981, при этом, собственно, доход всей индустрии аркадных игр утроился и стал составлять $2,8 млрд. в 1980. Самое начало этого периода ещё и совпало с появлением многих домашних компьютеров и первых энтузиастов-разработчиков игр для этих компьютеров. Самого большого успеха, на мой взгляд, достигла домашняя игровая приставка «Nintendo Entertainment System», это привело к практически тотальному захвату игрового рынка различными японскими компаниями типа «Nintendo».

В 1990-х году случилось дальнейшее развитие технологий, которые сопутствовали компьютерным играм. Я привёл наиболее значимые:

- масштабное внедрение CD-ROM для хранения и данных;

- масштабное и повсеместное распространение операционных систем, которые основываются на GUI, таких как Microsoft Windows, AmigaOS и Mac OS;

- глобальное развитие технологий не только двумерной, но и трехмерной графики и масштабное распространение 3D видео процессоров, переход к трехмерной графике как к стандарту по умолчанию для визуализации игр;

- продолжение интенсивного улучшения быстродействия CPU, всестороннее архитектурное развитие;

- миниатюризация аппаратного обеспечения и его массовое распространение, увеличение числа мобильных телефонов, что приводит к появлению мобильных игровых приложений;

- появление и повсеместное распространение интернета, в результате чего уже во второй половине десятилетия стала доступной совместная (многопользовательская) игра, это в свою очередь привело к появлению киберспорта.

Одновременно с развитием вышеописанных технологий происходило и развитие игрового рынка. В самом начале периода стали более успешными лицензированные игры и сиквелы игр.

В 1993 году продажи компьютерных игр в мире уже составляли $19,8 млрд. ($31 млрд. в современных ценах), $20,8 млрд. в 1994 ($32 млрд. в современных ценах) и приблизительно $30 млрд. в 1998 ($41,5 млрд. в современных ценах). Суммарные продажи внутри игровой индустрии США увеличились настолько, что теперь стали более чем в два с половиной раза выше доходов от продажи кинематографа в США.

В 2000-е было создано и стали популярными множество очень упрощённых (казуальных) и любительских инди-игр. Также крепнет направление игр для различных мобильных платформ, в том числе появилось направление создания игр для социальных сетей. Среди последних особенно известен разработчик «Zynga», делающий игры для социальной сети Facebook [7]. Другим примером успешных платформ для компьютерных игр являются iOS и Android. Здесь не могу не отметить успех вологодской компании «Playrix», которая на 2017 год входит в десятку лучших игровых компаний разработчиков мобильных игр.

На начальном этапе зарождения компьютерных игр стоимость разработки была минимальной, именно поэтому это был прибыльный бизнес. Игры, разработанные одним единственным программистом или же небольшой группой, которая обычно состояла из программиста и нескольких художников, могли обеспечивать продажи в течении продолжительного времени в количестве сотен тысяч копий. Многие из этих игр были и вовсе разработаны всего за несколько месяцев, что давало возможность тогдашним разработчикам выпускать по несколько игр в год. Это в свою очередь давало возможность издателям предлагать довольно щедрые отчисления разработчикам, включая различные бонусы с проданных копий. В течение всего этого экономически очень благоприятного периода было создано очень много известных компаний-издателей, которые и до сих пор на слуху. Например, это Origin Systems, Capcom, Activision, Sierra Entertainment, и Electronic Arts.

В настоящее же время компьютерные игр, на мой взгляд, вносят значительный вклад в мировую экономику благодаря большому успеху продаж основных игровых систем и таких игр, как, например, «Grand Thief Auto 5», собравшая в общем итоге за 3 года приблизительно $4 млрд. [8], что стало значимым рекордом продаж среди фильмов, книг и компьютерных игр.

Современным альтернативным способом издания игр может являться самостоятельное издание посредством shareware-модели, либо по модели открытого кода через интернет.

В последние годы стала набирать популярность модель "пожертвований" (осуществляющаяся с помощью сервисов аналогичных Kickstarter) для разработки компьютерных игр. Довольно часто с помощью этого метода известные в прошлом разработчики популярных игр предлагают создать идейное "продолжение" или "аналог" своих игр, если пользователи соберут запрашиваемую сумму.

1.2 Анализ, сравнение и выбор жанра обучающей игры

Выбор жанра, в котором будет осуществляться подача материала обучающей игры является, пожалуй, наиболее важным шагом в разработке. Это решение закладывает фундамент, создаёт необходимые ограничения и подсказывает возможности, используя которые уже придётся решать проблемы проведения материала через весь курс.

Обучающая игра (образовательная игра) -- программное обеспечение, тренирующее и обучающее человека в игровом режиме. Может применяться как для обучения, так и для развлечения. В категорию обучающая игра входят жанры -- квест, аркада, 3D-шутер, симулятор, компьютерный тренажер, интерактивный курс по какому-либо предмету [9]. Программа делит на части учебный материал, и регулирует последовательность его изучения. Усвоение материала проверяется тестом, предлагаемым в конце каждого этапа обучения. [10]

Квест [9]. Это особый жанр игры, в котором должны присутствовать сюжет и задание. Сюжет может быть, как сквозной - проходящий через всю игру, так и локальный - начинающийся и завершающийся в пределах одной сюжетной кампании, сцены или группы сцен. Сюжет в квесте играет одну из самых важных ролей. Он создан для того, чтобы удерживать игрока, выдавая ему информацию о мире или каких-то событиях этого мира небольшими порциями. Второй важной частью квеста являются задания. Задания отвечают за микро прогресс игрока, позволяя ему ощущать продвижение по игре. Задания бывают двух типов: основные - это те задания, которые отвечают за продвижение сюжета, и побочные - цель этих заданий занять игрока, показать ему новые уникальные особенности игры, дать возможность отвлечься от основных заданий, если те наскучат. Лучшие квестовые игры имеют довольно высокий уровень прорисованности окружения и персонажей (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Детективная игра-квест «Ненси Дрю»

Аркада [9]. Это жанр игры, которому свойственны короткая продолжительность игровой сессии и интенсивный игровой процесс. Аркадные игры характеризуются по следующим критериям: бесконечная игра (это означает, что аркаду невозможно пройти, потенциально игроки могут играть в аркаду бесконечное время, и соответственно не могут выиграть. Основной стимул играть - это бросать вызов себе или своим друзьям, соревноваться с ними), игровой счёт (вытекает из предыдущего пункта. Игровой счёт - это количество очков, полученные игроком за выполнение различных целей и задач), простой игровой процесс (аркады нацелены на максимально широкую аудиторию, поэтому правила игры и обучение должны быть максимально простыми и понятными), отсутствие сюжета/истории (из-за бесконечности и массовости ещё не была придумана ни одна история, которая бы подавалась через аркадную игру). По всем перечисленным выше критериям очевидно, что данный жанр плохо подходит для игры, целью которой является закрепление материала и получение зачёта. Отличным примером аркады является игра «Танчики» на приставке Dendi (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Аркадная игра «Танчики»

3D-шутер, симулятор, компьютерный тренажер не рассматривались в качестве основного игрового жанра по причине отсутствия необходимой для этих жанров мощной графической базы (прорисованные карты, персонажи, эффекты, события).

Интерактивный курс или интерактивная игра. Это разновидность компьютерных игр, в которых общение между самой игрой и игроком происходит с помощью внутриигровой текстовой информации. Чаще всего игровой процесс изображается в виде меню, в котором игрок выбирает действие из нескольких предложенных. В самом широком понимании термина под понятие «Интерактивная игра» подходит любая разновидность игр, сюжет которых не является жёстко фиксированным, но способен изменяться в зависимости от действий пользователя. Очень часто именно обучающие игры являются интерактивными (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Пример интерактивной обучающей игры

Но всё же не любой жанр игры может подойти для конкретных целей обучающей игры по предметной области «Представление знаний в информационных системах». Для выбора жанра было проведено сравнение таких параметров, как простота подачи ВУЗовского материала через игру, простота усвоения данного материала, последовательность и линейность игрового процесса, отсутствия большого количества отвлекающих факторов, и, конечно, увлекательность жанра.

Изначально было выбран квест. В контексте обучающей игры по дисциплине «Представление знаний в информационных системах» была продумана концепция игры-квеста, имеющая сквозной сюжет, а также вплетающийся в основной и усиливающий его побочный сюжет, и ещё имеющая необходимое количество заданий в соотношении основных к побочным как 70/30% всего игрового времени. Однако, при реализации концепции возникла проблема неиграбельности, что было связано с нехваткой графики. Другими словами, получилось очень много текста, но очень мало картинок. Текстовый же квест не отвечает нашим основным требованиям по увлечению студента в мир игры и мотивирование его продвигаться по ней, изучая и/или закрепляя новый материал. То есть был нарушен баланс между интересностью и информативностью приложения.

Интерактивные игры отличаются в основном подачей сюжета и вариативностью прохождения, при этом графическая составляющая отходит в них на второй план. То есть интерактивные игры как жанр интересны именно необычной подачей материала, которая не вписывается в обычные рамки, за счёт чего невозможно будет оценить, насколько слабая графика получилась. Этих свойств данного жанра было вполне достаточно, чтобы наш выбор пал именно на него.

Однако, и от текстовых наработок игры-квеста отказываться тоже не хотелось. Поэтому было принято решение создать интерактивную игру с элементами квеста, где необычный геймплей был бы дополнен текстовыми вставками и сквозным сюжетом.

1.3 Анализ существующих программных средств в области компьютерных образовательных систем

Так как тема виртуализации обучения не нова, то и разработки в этом направлении ведутся достаточно интенсивно. К примеру, в нашем вузе уже есть программа «Инструментальная интеллектуальная программная система для генерации компьютерных тестов» (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Основной интерфейс «ИИПС 7.3»

Современные обучающие программы выглядят одинаково. Различные тесты и методические работы, даже многие виртуальные лабораторные работы выглядят не всегда интересно и не возбуждают воображение пользователей, не пробуждают в них искреннюю заинтересованность Разработчиков можно понять: главное - это функционал и адаптивность, а всё остальное отодвигается на второй план. А зря.

Важно не только подать наиболее полные и опосредованные знания, но и сделать так, чтобы обучающийся проявил интерес к самому процессу изучения и познания. Вызывать заинтересованность и любопытство можно с помощью использования игровой формы подачи материала.

Именно это и делают воспитатели и учителя в школах с маленькими детьми [11]. Принято считать, что студент в высшем учебном заведении более собран, самостоятелен и серьёзен. Но это не всегда так, поэтому большая часть всех обучающих программ воспринимаются студентами если не с негативом, то со слабой долей заинтересованности.

На мобильном рынке обучающих приложений существует огромный спектр различных продуктов и сервисов. Пожалуй, одна из самых популярных программ для изучения иностранного языка - DuoLingo [12]. Интерфейс программы можно посмотреть на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Основной интерфейс «DuoLingo»

Это приложение обладает рядом важных преимуществ - оно не усложнено различными текстовыми объяснениями. Весь обучающий материал подаётся в лёгкой и ненавязчивой форме вопрос-ответ, где надо выбрать правильный ответ из списка доступных или же подставить нужное слово, или картинку.

Так же у приложения есть некое подобие адаптации заданий под уровень пользователя. Все темы жёстко фиксированы, но внутри темы задания составлены таким образом, чтобы интересно было их решать как и тем, у кого низкий уровень владения языком, так и желающим закрепить или повторить какую-то тему. Конечно, пользователь всё ещё зажат в строгие рамки курса и подачи материала, но уже внутри этих рамок у него есть некая возможность проявить индивидуальность.

Ещё одной замечательной игрой в обучении студентов является «Лабиринт знаний». Эта обучающая игра построена в системе «Виртуальная академия» [15] по предметной области «Представление знаний в информационных системах» изображена на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 - внешний вид «Лабиринта знаний»

Игра отличается своей интерактивностью. Пользователь в ней представлен в виде 3-мерного аватара, взаимодействующего с миром посредством действий пользователя. Собирая материал курса «Представление знаний в информационных системах», игрок плутал по лабиринту, и пытался найти оттуда выход. Основным минусом игры является слишком усложнённый интерфейс взаимодействия с миром. Да, игра довольно хорошая, но порог вхождения в неё был слишком высок. Именно по этой причине она так и не увидела свет в стенах родного ВУЗа.

Обучающие игры разрабатываются и в других учебных заведениях. Так, например в НИТУ «МИСиС» в 2011 году было выпущено несколько образовательных игр по различным дисциплинам. Одна из них, на мой взгляд, самая выдающаяся игра, обучающая математике - «Карлсон». Целью игры является набирание максимального количества плюшек. Игра состоит из 4-х сюжетов, в каждом из них 3 задачи в 10 вариантах. Необходимо набрать максимальное число плюшек [13]. Игра сделана полностью на Flash. И написана, и нарисована, и анимирована. Окно одного из заданий представлено на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - внешний вид игры «Карлсон»

Подводя итог, можно заметить, что обучающих игр в любых областях довольно много. При этом все они различны как по своей цели, так и по уровню реализации. Однако, в нашем ВУЗе по дисциплине «Представление знаний в информационных системах» обучающая игра ещё не используется. Поэтому в этой узкой области аналогов данной работы нет.

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Задачей данной работы является разработка обучающей игры для студентов по предметной области «Представление знаний в информационных системах». Игра должна быть интересной, познавательной, адаптирующейся под уровень знаний игрока, и быть отличным дополнением к основному материалу, выдаваемому на курсе «Представление знаний в информационных системах».

При всём при этом игра должна быть интуитивной, иметь низкий порог вхождения и обучения. Игра должна проходиться от начала и до конца вне зависимости от выбора и ошибок игрока.

Программа разработана в жанре интерактивной игры с элементами квеста. Для подачи истории использованы уровни или сцены, настроены таким образом, чтобы обучить студента и/или закрепить уже полученный материал.

Игра должна адекватно реагировать на уровень знаний игрока. Давая адекватную обратную связь в виде изменяющегося окружения, и подстраивая сложность уровней под уровень студента. Благодаря этому достигается баланс между заинтересованностью, вызовом, сложностью и информативностью курса.

Каждая сценка используется как задача, которую необходимо решить студенту-игроку, чтобы продвинуться дальше по сюжету. Задачи на сценах должны быть уникальные и неповторимые. Механика, используемая на сцене для решения задачи может повторяться, но не чаще, чем через 3 сцены (простая основная механика) и не реже, чем через 5 сцен (сложная уникальная механика «Боссов»). При этом появление сложных уровней среди простых со временем должно повышаться согласно кривой сложности.

2.1 Исследование и разработка графика кривой сложности

Кривая сложности?--?это функция зависимости навыка игрока от времени в игре. Кривая сложности дает наглядно понять, насколько быстро игрок учится и не становится ли ему слишком скучно или сложно.

Хорошо сбалансированная по сложности игра вводит игрока в состояние потока. То есть, увлекательна и приносит удовольствие. Наша модель кривой сложности представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - график кривой сложности в нашей игре

На горизонтальной оси находится прогресс игрока (количество уровней или сцен), а на вертикальной - навык игры, необходимый для прохождения конкретного уровня. Необходимый навык игры рассчитывается в отношении удачных попыток пройти уровень к их общему числу. Другими словами - это то, с какой попытки в среднем игрок проходит уровень. К примеру, если средний пользователь проходит уровень с 10 раз, то сложность этого уровня (необходимый навык игры для его прохождения) составляет 10%. Стоит отметить, что речь идёт про среднего пользователя.

Данная модель кривой сложности выбрана не просто так. Изначально кривая сложности планировалась как график на рисунке 2.2.



Рисунок 2.2 - изначальный график кривой сложности

Игра начиналась с самого простого уровня, и дальше уровень за уровнем переходила в самый трудный, в котором победить было уже практически нереально. Этот же график зачастую используется в системе обучения новому материалу. Сложность материала повышается постепенно и непрерывно.

Однако, испытав воздействие такой системе на себе и запустив небольшой тест среди друзей, мы увидели интересную картину. Практически всем игрокам в начале было скучно играть. Игра им казалось слишком простой, слишком «детской», поэтому большинство респондентов не доходили даже до её середины. С другой же стороны те, кто подходили к концу игры отмечали у себя негативные эмоции и желание выключить игру, и заняться чем-то другим. Это обусловлено высоким уровнем стресса у игрока, постоянно увеличивающегося напряжения. Когда наградой с прохождение сложного материала служил ещё более сложный.

Независимо от того, прошли игроки до конца игру или нет, все 100% респондентов отмечали дисбаланс и то, что второй раз её запускать им бы не хотелось.

Тогда мы прислушались к мнению пользователей и сделали кривую сложности с колебаниями (рисунок 2.3). То есть игра становилась сложнее, но иногда давая пользователю «передышку» - возможность отдохнуть от всё увеличивающейся сложности.

Рисунок 2.3 - вторая итерация графика кривой сложности

Отзывы значительно улучшились. Фактор того, что игроку часть уровней давалась просто, но при этом через какое-то время происходил вызов его способностям, положительно сказалась на вовлечённости игрока в процесс. Но казалось, что подачу материала можно было ещё улучшить. В итоге, спустя ещё несколько итераций мы пришли к нашей финальной версии кривой сложности.

Кривая сложности состоит из 3 типов уровней.

Пики на графике - это самые сложные уровни, которые крайне трудно пройти. Процент сложности этих уровней (отношение успешных попыток к их общему числу) может достигать 95. Есть несколько причин для ввода этих уровней:

- вызов игроку, который важно делать время от времени, чтобы пользователь не заскучал, и чтобы у него была возможность проявить свои навыки;

- замедление прогресса игрока, что важно для того, чтобы игрок не прошёл всю игру за 1 день

- возможность изучить новый материал, чтобы пройти сложный уровень.

Зачастую, достаточно изучить новый материал к главе, чтобы достичь того уровня навыка, необходимого для дальнейшего продвижения по сюжету.

Впадины на графике - это лёгкие уровни. Они находятся в самом низу вертикальной оси координат. Обычно сложность этих уровней не выше 5%, что позволяет игроку передохнуть после прохождения тяжёлого уровня и ощутить «доброжелательность» игры. Такие уровни являются какого-то рода вознаграждением. Потому что их почти всегда преодолевают буквально с первой попытки, а значит увеличивается удовольствие от игры. Особенно это заметно, если до этого игрок долго не мог пройти сложный уровень, а тут сразу два или три уровня проходятся с первого раза.

Ну и третий тип уровней - это уровни средней сложности (на графике они представлены между пиками и впадинами). Их ещё можно назвать «уровни нарастания сложности». Это все те уровни, которые не относятся к очень сложным и очень лёгким. Они нужны для того, чтобы добавить разнообразие в игру, а также подвести игрока к сложным уровням, создавая некую лестницу. Без них игра бы напоминала американские горки с резкими подъёмами и спусками. Средние уровни очень важны, так как они позволяют сгладить кривую сложности и частично замаскировать её.

Как можно заметить вопросу баланса было уделено много внимания и сил. Хочется надеяться, что данные исследования легко смогут быть масштабированы на большую аудиторию, нежели контрольная группа из друзей и знакомых. Однако, даже если нет, то небольшие коррективы в график внести не составит большого труда, если понимать его смысл.

2.2 Актуальность разработки

Тема разработки виртуальной модели «Представление знаний в информационных системах» актуальна, так как на данный момент на рынке информационных систем существует очень мало аналогов предлагаемого ресурса, а в данном курсе действующих аналогов и вовсе нет. Существующие информационные системы направлены на обучение в виде дистанционного образования, либо как курс обязательных дисциплин, входящих в учебный план специальности. Отсюда можно сделать вывод, что пользователи, которые будут проходить обучение, вряд ли найдут что-то похожее. Анализ аналогичных систем показал, что на сегодняшний день на рынке существует ограниченный выбор информационных ресурсов, позволяющих осуществлять процесс обучения.

2.3 Обоснование использования виртуальной модели

Основные плюсы виртуальных моделей [14]:

- возможность обучаться в любое время - студент, обучающийся дистанционно, может самостоятельно решать, когда и сколько времени в течение семестра ему уделять на изучение материала. Он строит для себя индивидуальный график обучения. Некоторые образовательные учреждения предоставляют своим студентам возможность откладывать обучение на длительный срок и возвращаться к нему без необходимости снова оплачивать образовательные услуги;

- возможность обучаться в своем темпе - учащимся дистанционно не нужно беспокоиться о том, что они отстанут от своих однокурсников. Всегда можно вернуться к изучению более сложных вопросов, главное, успешно проходить промежуточные и итоговые аттестации;

- возможность обучаться в любом месте - студенты могут учиться, не выходя из дома или офиса, находясь в любой точке мира. Чтобы приступить к обучению, необходимо иметь компьютер с доступом в Интернет. Отсутствие необходимости ежедневно посещать учебное заведение несомненный плюс для людей с ограниченными возможностями здоровья, для проживающих в труднодоступных местностях, отбывающих наказание в местах лишения свободы, родителей с маленькими детьми;

- учеба без отрыва от основной деятельности - дистанционно можно обучаться на нескольких курсах одновременно, получать очередное высшее образование. Для этого совсем не обязательно брать отпуск на основном месте работы, уезжать в командировки. Существуют образовательные организации, которые организуют корпоративное обучение (повышение квалификации) для сотрудников фирм и госслужащих. В этом случае учеба не прерывает трудовой стаж, а изученные вопросы можно сразу применить в трудовой деятельности;

- высокие результаты обучения - как показывают исследования американских ученых, результаты дистанционного обучения не уступают или даже превосходят результаты традиционных форм обучения. Большую часть учебного материала студент-дистанционник изучает самостоятельно. Это улучшает запоминание и понимание пройденных тем. А возможность сразу применить знания на практике, на работе помогает закрепить их. Кроме того, использование в процессе обучения новейших технологий делает его интереснее и живее;

- мобильность - связь с преподавателями, репетиторами осуществляется разными способами: как on-line, так и off-line. Проконсультироваться с тьютором с помощью электронной почты иногда эффективнее и быстрее, чем назначить личную встречу при очном или заочном обучении;

- доступность учебных материалов - обучающимся дистанционно незнакома такая проблема, как нехватка учебников, задачников, методичек. Доступ ко всей необходимой литературе открывается студенту после регистрации на сайте университета, либо он получает учебные материалы по почте;

- дистанционное образование дешевле - если сравнивать обучение по отдельно взятой специальности на коммерческой основе очно и дистанционно, то второе окажется дешевле. Студенту не приходится оплачивать дорогу, проживание, а в случае с зарубежными вузами не нужно тратиться на визу и загранпаспорт;

- обучение в спокойной обстановке - промежуточная аттестация студентов дистанционных курсов проходит в форме on-line тестов. Поэтому у учащихся меньше поводов для волнения перед встречей с преподавателями на зачетах и экзаменах. Исключается возможность субъективной оценки: на систему, проверяющую правильность ответов на вопросы теста, не повлияет успеваемость студента по другим предметам, его общественный статус и другие факторы;

- удобство для преподавателя - учителя, репетиторы, преподаватели, занимающиеся педагогической деятельностью дистанционно, могут уделять внимание большему количеству учеников и работать, находясь, например, в декретном отпуске;

- индивидуальный подход -при традиционном обучении преподавателю довольно трудно уделить необходимое количество внимания всем учащимся группы, подстроиться под темп работы каждого. Использование дистанционных технологий подходит для организации индивидуального подхода. Кроме того, что учащийся сам выбирает себе темп обучения, он может оперативно получить у тьютора ответы на возникающие вопросы.

Так же современные виртуальные модели решают ряд бывших проблем и превращают их минусы в плюсы:

- развитие коммуникативных способностей - прохождение всего возможно в группе благодаря использованию многопользовательского режима. Таким образом студенты заочного или дистанционного обучения, изучающие один курс, могут изучать его вместе, общаться, делиться впечатлениями, взаимодействовать друг с другом; в общем делать всё тоже самое, что они могли бы делать, если бы ходили в занятие в аудиторию;

- положительное воздействие на мотивацию учащихся - это достигается с помощью использования игровой формы обучения, виртуальных наград за прохождение, системы постепенного усложнения прохождения территории.

Однако, остаётся пара пунктов, которые вызывают затруднения при использовании виртуальных моделей:

- недостаток практических знаний - обучение специальностям, предполагающим большое количество практических занятий, дистанционно затруднено. Даже самые современные тренажеры не заменят будущим медикам или учителям «живой» практики;

- проблема идентификации пользователя - пока самый эффективный способ проследить за тем, честно и самостоятельно ли студент сдавал экзамены или зачеты, - это видеонаблюдение, что не всегда возможно. Поэтому на итоговую аттестацию студентам приходится лично приезжать в вуз или его филиалы;

- недостаточная компьютерная грамотность - в России особенная потребность в дистанционном образовании возникает в отдаленных районах. Однако в глубинке не у всех желающих учиться есть компьютер с доступом в Интернет.

В скором будущем и эти проблемы будут решены, так как прогресс идёт очень быстро и эффективно, если пользоваться его благами.

2.4 Обзор средств для разработки функциональных модулей

Необходимо разработать виртуальную модель с удобным пользовательским интерфейсом для обучения студентов Вологодского государственного университета по предмету «Представление знаний в информационных системах». Разработка системы должна быть легко понятной и не занимать большого количества времени на изучение языка программирования.

Согласно исследованию, проведённому аналитическим порталом dev.by, язык JavaScript находится в десятке самых популярных. Исследование было проведено на основании не менее десяти предварительно исследованных источников, среди которых [16]:

- поисковые выдачи Google;

- данные из Google Trends;

- сообщения в Twitter;

- репозитории GitHub;

- вопросы на StackOverflow;

- посты Reddit.

В сравнении участвовали такие языки, как C, C#, Java. Однако, C не хватает объектного ориентирования. C# и Java полностью объектно-ориентированы и кроссплатформенны, но уступают JavaScript в простоте освоения.

При простом синтаксисе JavaScript может выполнять более сложные функции. Это идеальный скриптовый язык, простой для освоения. Программный код работает в браузерах и обрабатывает команды на компьютере клиента, а не на сервере, снижая таким образом нагрузку на сервер и увеличивая скорость работы приложения.

Для создания виртуальной предметной области был использован язык JavaScript (или VJScript), а также вспомогательный язык Lua.

Работа с игровыми объектами виртуальной модели является основным процессом при создании приложения. Все использованные объекты были разработаны самостоятельно и созданы с помощью бесплатных программ для моделирования, таких как «Paint» и «GIMP». Созданные объекты загружаются на сервер, откуда их можно в любое время и в любом количестве вызывать и располагать в виртуальной среде. У каждого объекта есть параметры: текстура, размер, расположение. Популярность языка JavaScript связана с его широкими возможностями по взаимодействию с элементами без перезагрузки программы [17]. Это позволяет прятать и показывать фрагменты дизайна, перемещать их и менять оформление. Путем таких действий можно создавать презентационные эффекты, меню, небольшие игры, управлять содержимым.

Работа с формами виртуальной модели. Через скрипты удобно получать и обрабатывать любые данные форм, это позволяет проверить информацию на правильность ввода перед ее отправкой на сервер или иметь обратную связь пользователя с сервером без остановки выполнения скриптов.

Работа с изображениями. Через скрипты можно делать предварительную загрузку изображений. Использовать изображения в качестве текстур для 2D-объектов можно присваивать непосредственно во время выполнения сценария. Основные параметры изображений, такие как: ширина, высота картинок и адрес графического файла, тоже можно менять динамически. Это позволяет создавать эффект перекатывания, когда текстура объекта меняется при взаимодействии с ним или прекращения взаимодействия.

Отслеживание событий. Событием называется определенное действие пользователя или изменение состояния документа. JavaScript отслеживает большинство событий и позволяет определять реакцию на них. Например, при загрузке веб-страницы происходит событие onLoad. Если необходимо запустить скрипт сразу после загрузки документа, следует этому событию назначить функцию, которая будет выполняться при его наступлении.

Математические функции. JavaScript содержит все необходимые арифметические операции, поддерживает все стандартные математические функции, как с целыми числами, так и с плавающей точкой.

Язык VJavaScript предназначен для программирования объектов внутри одной локации. Язык представляет собой расширенный JavaScript и поддерживает все языковые конструкции базового JavaScript.

Язык позволяет управлять всеми пользовательскими объектами внутри одной локации, обращаясь к ним по имени. По имени объекта можно получить ссылку на него, а имея ссылку поставить обработчики на любые события.

Программа на VJavaScript не имеет смысла без объектов, которыми она управляет. Работа программы не начинается до тех пор, пока все объекты, используемые программой, не будут загружены.

Ссылка на объект получается с помощью вызова метода getObjectByName глобального объекта scene. Обычно единственный параметр этой функции является фиксировано заданной строкой. Однако, возможно формирование имени объекта на лету в строковую переменную. Работа программы не начинается до тех пор, пока все объекты, используемые программой не будут загружены.

Разумеется, здесь описаны не все возможности языка JavaScript, но и указанного достаточно, чтобы понять, что это мощное, гибкое, универсальное и удобное средство работы как с логикой сценариев, так и непосредственно с объектами.

3. РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

Разработка игр - дело непростое, многогранное. Тот, кто задумал разработать игру, может подступиться к этому вопросу с совершенно разных сторон. И, на мой взгляд, начинать с технической стороны не совсем верно. Можно быть гением Unity или двухмерного движка типа phaser.js и все равно сделать неинтересную игру низкого качества. Игры - это не только техническая реализация: любая хорошая игра - это синергия звука, цвета, движения и, самого главного - сценария, истории. Именно она позволяет игрокам полноценно окунуться в мир игры, забыв обо всем на свете. В данном разрезе стоит игнорировать игры вроде «Счастливого фермера» или «Candy Crush». У них нет толковой сценарной составляющей, но они все равно ужасно затягивают, не благодаря их качеству, а потому что «играют» на умении мозга получать удовольствие от малейшего стимула. Такие игры, сочетая простоту и красочность, делают зависимыми от них. Кто-то из гейм-индустрии сказал о том, что игра, которая заставляет тебя думать о ней все время, плохая, наркотик.

С чего начать разрабатывать игру? С истории и сюжета. Любая техническая сторона вспомогательна. Если кто-то скажет, что только гигантские корпорации, разрабатывающие 3D игры и миры, выпускают качественные продукты, то они не слышали об успешных инди-играх вроде Hotline Miami 1/2, Meat Boy, Fez. Они, может быть, не блещут графикой, но зато сверкают своим глубоким миром, который приглашает миллионы людей окунуться в волшебное пространство игры.

3.1 Сюжет

Сюжет в данной игре является основной мотивационной составляющей. Он написан по правилам написания сюжетов для мобильных игры, используемых современными игровыми компаниями. В качестве основы был взят алгоритм “Личность -> желания -> проблемы в осуществлении -> сюжет”. Персонажем игры мы выбрали студента, опоздавшего на зачёт по предмету “Представление знаний в информационных системах” и пытающегося найти преподавателя, чтобы тот ему поставил оценку. Персонаж частично обезличен: он не имеет пола, его имя не называется, а всё повествование ведётся от первого лица. Это упрощает игроку (предположительно студенту, изучающую данную дисциплину) сопереживать персонажу и начать себя с ним ассоциировать.

Итак, персонаж студент опоздал на зачёт по предмету “Представление знаний в информационных системах”. Дверь в аудиторию оказалась закрыта на кодовый замок, но код должен быть написан где-то рядом.

Перед игроком предстаёт дверь в РЦДО. Справа от двери кодовый замок. При нажатии на него, по середине экрана появляется окно, в котором предлагается ввести 4 цифры (ввод происходит с клавиатуры в строку, вводить можно любые символы). Про 4 цифры нам говорится только в подписи над строкой. Стены вокруг расписаны разными надписями и цифрами: “Люблю Полину!1111”, “А я люблю Алана”, “Тьюринга?”, “Да, прямо со дня его рождения”, “Ты в 1912 ещё даже не родилась!”. Когда игрок догадывается, что код от дверей 1912 и вводит его, то дверь открывается. Далее игрок переходит ко 2 сцене.

Во 2 сцене мы подводим игрока к понимаю основной механики игры, намекая ему на предстоящие впереди задания. Эта часть подаётся как мысли главного героя, появляющиеся на тёмном фоне. Перед собой студент видит ещё одну дверь, уже обычную, не похожую на дверь в РЦДО. Следующее задание выбирается уже из информации о прохождении 1 сцены. Либо задание будет усложнено, либо упрощено. Мы рассмотрим средний вариант: Над дверью находится надпись: «Лишь постигший все модели представления знаний сможет пройти». Словосочетание «все модели» выделено жирным курсивом и цветом. На стенах он видит надписи: продукционные, формальные логические, семантические сети, фреймы, безупречного обслуживания, закрытая, открытая, коммуникативная. В усложнённом варианте задания часть надписей скрыта и надо ввести их самостоятельно, в упрощённом - часть уже написанных правильных надписей подсвечена. При нажатии на какую-то надпись, она меняет свой цвет с белого на зелёный. При нажатии на «все модели» происходит проверка выделенных надписей. Если выделены все нужные, то дверь откроется. Если не все нужные выделены или выделены лишние, то выделение всех надписей сбрасывается и даётся вторая попытка.

В 3 сцене над дверью находится надпись: «Набор инструкций, задающих последовательность действий по преобразованию некоторой совокупности исходных данных для получения определенного результата». Справа от неё кодовый замок, куда предлагается ввести определение. В усложнённой версии задания слова в определении перепутаны. Сначала их надо поставить на свои места, только после этого разблокируется панель для ввода. В упрощённом варианте некоторые буквы внутри определения подсвечены, из них можно составить часть самого определяемого слова.

В 4 сцене задание над дверью гласит «Определение ты знаешь! Но какие свойства его раскрывают?». Словосочетание свойства выделено жирным курсивом и цветом. На стенах надписи: Дискретность, Определенность, Результативность, Массовость, Непрерывность, Неопределённость, Безрезультатность, Уникальность. Система прохождения уровня такая же, как во второй сцене.

В 5 сцене, которая является ключевой для этого ряда задач, уже предлагается ввести алгоритм для машины Тьюринга по преобразованию последовательности символов из текущей в необходимую. Сложность алгоритма определяется количеством шагов, необходимых для решения задачи. И задаётся она в зависимости от совокупности результатов прохождения всех предыдущих 4 заданий. Ввод осуществляется посредством нажатия на плиты на полу у дверей. Проверка результата и задание находится над дверью сверху.

3.2 Модель базы знаний

База знаний, БЗ -- это особого рода база данных, разработанная для управления знаниями (метаданными), то есть сбором, хранением, поиском и выдачей знаний [18]. Раздел искусственного интеллекта, изучающий базы знаний и методы работы со знаниями, называется инженерией знаний. Под базами знаний понимается совокупность фактов и правил вывода, допускающих логический вывод и осмысленную обработку информация.