Онтологічна модель віртуального STEM-центру

Abstract

Шаповалов В. Б. Онтологічна модель віртуального STEM-центру. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття кваліфікаційного рівня PhD candidate за спеціальністю 122 – Комп'ютерні науки. – Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору Національної академії наук України, Київ, 2023. Дисертаційне дослідження присвячено вирішенню актуальної науково-технічної задачі консолідації освітніх STEM-ресурсів з метою забезпечення трансдисциплінарного підходу. Об'єктом дослідження є процес онтологічного представлення STEM-орієнтованого контенту. Предмет дослідження – онтологічні методи представлення інформаційно-освітніх ресурсів формату STEM. Мета дослідження – дисертаційної роботи полягає у реалізації процесів збору та обробки інформації в комп'ютерних системах, що забезпечують взаємодію учнів зі STEM-контентом на засадах онтологічного моделювання. Такі процеси повинні забезпечувати консолідацію інформаційних ресурсів та їх представлення у трансдисциплінарному вигляді для забезпечення взаємодії учнів та вчителів у навчальному процесі. У першому розділі обґрунтовано важливу рол інформатизації у освітньому процесі, зокрема на використанні цифрових лабораторій і віртуальних освітніх центрів. Це дозволяє студентам та учням брати участь у різноманітних дослідницьких проектах. Підкреслюється, що освітні програми швидко трансформуються, вимагаючи постійного оновлення навчального цифрового контенту. Вказується на необхідність включення когнітивних послуг у освітній процес, що допоможе в обробці великих обсягів інформації. Визначено, що особлива увага приділяється адаптивності навчання, що включає індивідуальний підхід до кожного учня. Для цього необхідним є застосування сучасних підходів здатних здійснювати когнітивну обробку даних та забезпечувати трансдисциплінарність. Вказується на значення онтологічного підходу для структуризації знань, забезпечення адаптивності та трансдисциплінарності навчання. Описано різноманітність віртуальних лабораторій та їх переваги, зокрема у питаннях безпеки, економії часу та ресурсів, а також у можливостях дистанційного навчання, що потенційно могли би вирішувати зазначені проблеми та визначено критерії для їх оцінки. Проведений аналіз різних існуючих онтологічних систем підтверджує необхідність розробки систем, що забезпечують підтримку інформаційних процесів та управління навчальним процесом шляхом консолідації інформаційних ресурсів. Визначено та обґрунтовано онтологічну модель консолідованої взаємодії зі STEM-середовищем. У другому розділі описано моделі онтологічного представлення контенту в освіті, зокрема у контексті STEM-дисциплін та консолідації ресурсів. Увагу зосереджено на концепції онтологічного представлення контенту у форматі консолідованих різнотипних наративів, які сприяють аналізу, опрацюванню та використанню в освітніх процесах. Картина світу визначається як сукупність уявлень та знань про світ і світобудову, включаючи пізнавальні та творчі можливості людини. Підкреслено важливість структурованої інтерпретації інформації, що отримана з авторизованих джерел для формування образу світу. Онтологія в освіті розглядається як формалізація описів області знань з використанням концептуальних схем, що включає ієрархічну структуру понять. Визначено важливість забезпечення семантично зв'язної сукупності документів і наративів, які сприяють організації та реалізації освітнього процесу та трансдисциплінарної освіти для інтегрованого використання знань з різних областей для дослідження світу. Представлено моделі механізмів онтологічного інжинірингу для структурування та представлення освітнього контенту. До таких моделей відносяться представлення онтології, наративів, предиканта визначеного виду, таксономії та їх різноманіття, представлення у рекурсивному вигляді, визначення моделей пов'язаних із послідовностям символів скінченої довжини та деревами Бема як ефективного способу відображення освітнього контенту. У третьому розділі Описано розроблену архітектуру трансдисципліної платформи віртуального STEM-центру з компонентно визначеними освітніми сервісами. Опис архітектури включав наступні завдання: − Описати модель взаємодії віртуального STEM-центру та таксономічного модулю − Описати модель користувачів − Описати модель взаємодії системи − Описати представлення взаємодії програмних сутностей − Розробити діаграму класів та відносин Т-STEM центру − Розробити архітектуру T-STEM центру Обґрунтовано розробка програмної системи, що здійснює збір та обробку даних з метою консолідації інформаційних ресурсів. Висвітлено розробку комплексної програмної системи для трансдисциплінарного STEM-центру. Система включає модулі для консолідації онтологічних баз знань та мережевих ресурсів, створення методичних розробок та генерації рекомендацій. Представлено функціонально-компонентну модель системи, що включає інформаційну модель та компоненти для взаємодії з іншими системами та ресурсами. Описано інтеграцію програмної системи з популярними системами управління контентом, такими як Wordpress, та інноваційними інформаційними системами. Надано детальний опис різних сервісів системи, включаючи сервіси для забезпечення безпеки, стабільної роботи, моделювання інформації, генерації онтологій та інтерактивного перегляду. Розглянуто використання модулів КІТ «Поліедр» для створення та управління трансдисциплінарними навчальними матеріалами і ресурсами. Представлено детальний опис архітектури системи, включаючи ролі користувачів, як-от адміністратори, автори (вчителі), редактори та користувачі, та їхні взаємодії в рамках системи. У четвертому та п'ятому розділах висвітлено результат розробки онтологічної моделі віртуального STEM-центру та його використання Розглядається створення єдине STEM-середовище для інтеграції різноманітних освітніх ресурсів. Подано деталі щодо функціонування єдиного STEM-середовища, включаючи використання електронних посібників, бібліотек, репозиторіїв, віртуальних лабораторій та інших ресурсів. Описано застосування комплексно-інтегрованого технологічного інструменту "Поліедр» для структурування та управління навчальними матеріалами. Надано інформацію про використання онтологічних підходів та інструментів для створення та адміністрування навчальних програм і ресурсів. Розглянуто інтеграцію системи з існуючими освітніми ресурсами, такими як шкільні веб-сайти та портали. Описано методи створення та редагування навчальних матеріалів через інтернет-платформу, в тому числі з використанням шаблонізатора STEM-контенту.