Software & Systems

Применение анимации в обучающих системах повышает уровень понимания изучаемого материала. Анимационный фильм – это линейная или нелинейная последовательность кадров. Возможны два подхода к созданию анимационных фильмов:

·   использование инструментальных средств построения обучающих систем (QUEST, АДОНИС, УРОК и др.);

·   использование универсальных средств создания анимации (Animator Pro, 3D Studio и др.).

Первый подход учитывает особенности создания именно обучающих систем, но не обладает такими инструментальными возможностями, как второй подход. Нам кажется перспективным подход, когда отдельные фрагменты анимационного фильма создаются универсальными средствами, а управление просмотром или обучение ведутся при помощи специально разработанных средств. К последним относятся язык описания сборки и просмотра анимационного фильма и оперативные средства управления просмотром в форме “горячих” клавиш. Существующие средства просмотра анимации не могут быть использованы в анимационных целях, так как они не учитывают интерактивный характер процесса обучения.

Целью данной работы является описание инструментальных средств, позволяющих на основе анимационных фильмов, созданных универсальными средствами, разрабатывать обучающие системы. Инструментальными средствами должна быть предусмотрена возможность предоставления контроля изучаемого материала в созданной обучающей системе.

·  Разработка обучающих программ с использованием графики требует больших временных затрат как на создание самой системы, так и на создание графического материала. Следовательно, необходимы средства, позволяющие повторно использовать уже разработанный графический материал и компоновать его с оригинальным материалом с наименьшими затратами.

·  Учитывая интерактивный характер обучения, необходимо разработать средства взаимодействия обучаемого с системой обучения, обеспечить возможность управления логикой работы обучающей системы. 

·  В процессе просмотра анимационных фильмов возникает необходимость предоставить пользователю возможность вмешательства в ход просмотра фильма: останов фильма, просмотр предыдущего кадра, изменение логики просмотра, то есть необходимо организовать нелинейный просмотр линейно представленных кадров. Стандартные средства просмотра фильмов в данном формате не предоставляют подобных возможностей, поэтому необходимо разработать специальное программное средство – проигрыватель фильмов.

В работе принята следующая парадигма обучения:

Просмотр + Контроль = Обучение.

В рамках данной парадигмы рассмотрим реализацию двух стратегий обучения:

жесткую, когда система следит за действиями обучаемого и направляет их, реализуя строгую последовательность шагов просмотр–контроль;

мягкую, когда обучаемый самостоятельно выбирает информационный материал и к контролю прибегает по своему желанию.

Указанные стратегии реализуются посредством описания процесса обучения на специально разработанном языке.

Данная парадигма, где сложное понятие объясняется через простые, предполагает, что анимационный фильм – это иерархически упорядоченный набор из множества следующих компонентов: текст, изображение, графика, анимация, видео. Фильм раскрывает сложное понятие в различных аспектах и представляет собой упорядоченную последовательность кадров (см. рисунок), которые могут быть классифицированы следующим образом:

-  информационное меню;

-  информационный фильм или кадр;

-  контрольное меню;

-  контрольный фильм или кадр.

Неформальное описание языка. Для описания анимационного фильма в рамках предложенной концепции был разработан язык управления просмотром анимационных фильмов. Он позволяет описать сценарий обучения с дальнейшим выполнением его с помощью специальной исполнительной системы. Предлагаемый язык является объектно-описательным и оперирует несколькими типами объектов и множеством связанных с ними понятий. Объекты согласуются с предложенной парадигмой обучения. Каждому элементу, представленному на рисунке, ставится в соответствие определенная структура в рамках языка управления. С помощью данных структур можно указать исполнительной системе на создание множества взаимосвязанных объектов разного типа. На основе имеющейся у исполнительной системы информации об объектах она собственными средствами обеспечивает взаимодействие созданной структуры с пользователем. Пользователь анимационного фильма с помощью манипулятора мышь может управлять логикой просмотра фильма в рамках описанной структуры.

Язык управления позволяет описывать объекты и взаимодействия между ними для обеспечения возможности построения анимационного фильма в рамках предложенной парадигмы. Основой языка управления являются объекты следующих типов: film, screen, control, check.

film – объект предназначен для описания информационных фильмов. Данный объект ставит в соответствие физическому имени файла с анимационным фильмом некое имя, по которому в дальнейшем можно ссылаться на данный файл из других объектов.

screen – объект является узловым элементом, управляющим логикой просмотра фильма. Взаимосвязь таких объектов между собой осуществляется посредством объектов control. Объект позволяет строить иерархическую структуру информационных и контролирующих меню.

control – объект данного типа описывает орган управления (кнопку), привязывая его к некоторой области экрана и к определенным действиям пользователя. Следуя описанию анимационного фильма, исполнительная система проверяет действия пользователя над кнопками, связанными с текущим меню, и выполняет действия, указанные в описании.

check – объект используется для организации режима контроля при построении обучающих систем. Указанный объект ссылается на определенное меню и кнопки, связанные с этим меню.

Формальное описание языка управления просмотром анимационных фильмов проведем в рамках контекстно-свободных грамматик. Напомним, что грамматика по Хомскому – это четверка: G=(N,å,P,S),

где N – множество нетерминальных символов; å – множество терминальных символов; P – множество правил языка; S – начальный символ языка.

N = { bNameChar, NameChar, bPathStr, PathStr, Num, DataStr, NameScr, NameRolic, NameCtrl, Fstr, FlagsStr, MouseStr, MouseType, ActionType, ActionStr, ReactionStr, AreaStr, StartView, EndView, View, SeqNameCtrl, SeqControl, Rolic, Control, Screen, Check, St }

å = {chr(33)..chr(255), control, screen, check, rolic, area, view,eview, sview, name, path, action, mouse, flags, data, FL_SIMPLE, FL_BUTTON, FL_ROLIC, MSM_POINT, MSM_POINTCROSS, MSM_CROSS, MSM_LCROSS, MSM_BOXMSM_BOXCROSS }

P ={

bNameChars ® chr(33)..chr(39)| chr(46)| chr(48)..chr(58)|

            chr(60)..chr(122)|chr(124)|chr(126)..chr(255)

NameChars®bNameChars | bNameChars NameChars

bPathStr ®chr(33)..chr(38)|chr(40)|chr(41)|chr(43)|chr(45)|

 chr(48)..chr(58)|chr(60)..chr(62)| chr(64)..chr(95)

 |chr(97)..chr(255)

PathStr ® PathStr | bPathStr PathStr

Num ® 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 Num | 1 Num | 2

 Num|3 Num |4 Num|5 Num|6 Num|7 Num|8 Num |9 Num

DataStr      ®   data = NameRolic;

NameRolic ®  NameChars

NameScr    ®   NameChars

NameCtrl   ®   NameChars

FStr ® FL_FILMCYCLE;                                   |

                   FL_FILMCYCLE, FL_SIMPLE;             |

            FL_SIMPLE, FL_FILMCYCLE;             |

            FL_FILMCYCLE, FL_BUTTON; DataStr |

            FL_BUTTON, FL_FILMCYCLE; DataStr|

            FL_FILMCYCLE, FL_ROLIC; DataStr   |

            FL_ROLIC, FL_FILMCYCLE; DataStr  | e

     FlagsStr       ® flags = FStr

     MouseType ®MSM_POINT | MSM_POINTCROSS |

                              MSM_CROSS | MSM_LCROSS |

                              MSM_BOX | MSM_BOXCROSS

     MouseStr    ® mouse = MouseType; | e

     ActionType ®   MSM_LEFTPRESSED |                                                          MSM_RIGHTPRESSED

     ActionStr    ® action = ActionType; | e

     ReactionStr ®rolic = NameRolic; |screen = NameScr; |

                              rolic = NameRolic; screen = NameScr;

     AreaStr       ® Num ,Num ,Num ,Num;

     StartView    ® sview = NameRolic; | e

     EndView     ® eview = NameRolic; | e

     View           ® view = NameRolic; | e

     SeqNameCtrl® NameCtrl; | NameCtrl, SeqNameCtrl

     SeqControl  ® control = SeqNameCtrl;

Rolic ® rolic { name = NameRolic; path = PathStr; }; |

           rolic {name = NameRolic; path = PathStr; }; Rolic

Screen ® screen{name=NameScr;StartViewViewEndView

 SeqControl};|screen{name=NameScr;StartViewView

 EndView SeqControl}; Screen

Control®control{name=NameCtrl;AreaStrActionStrMouseStr

 FlagsStr ReactionScr }; |

 control{name=NameCtrl;AreaStrActionStr MouseStr

 FlagsStr ReactionScr }; Control

Check   ®   check { screen = NameScr; SeqControl }; |

           check { screen = NameScr; SeqControl }; Check

St          ®   Rolic Screen Control | Screen Rolic Control |

           Control Rolic Screen | Rolic Control Screen |

           Screen Control Rolic | Control Screen Rolic |

           St Check

S           ®   St | St S

}

Особенности программной реализации. Разработанный язык не содержит сложных алгоритмических конструкций и семантических зависимостей. Это позволило значительно упростить общую структуру компилятора, сделав его однопроходным.

На этапе лексического анализа происходит ввод исходного текста, определение лексической группы входных символов и объединение входных символов в слова. Этап лексического анализа выделен в отдельную подсистему, которая разработана в рамках объ- ектно-ориентированного программирования (ООП) как отдельный объект.

На этапе синтаксического анализа происходит разбор входной последовательности слов и создание списков объектов, описанных в языке. Структуры данных, получающиеся на выходе синтаксического анализатора, являются списками объектов, которые используются исполнительной системой.

Подсистема декодирования анимационных файлов построена на основе ООП. Такое решение позволяет организовать мультиэкранный просмотр анимационных фильмов. Подсистема состоит из трех объектов. Первый обеспечивает непосредственно декодирование, второй – выполнение ряда графических примитивов, необходимых для отображения анимационного фильма на экране. При этом данный объект может работать либо с подсистемой графического видеовывода, либо с третьим объектом, который эмулирует буфер кадра подсистемы видеовывода для дополнительных экранов. При окончательном формировании нового кадра анимационного фильма эти экраны отображаются в основной буфер кадра.

Покадровый вывод видеоинформации осуществляется подсистемой видеовывода, которая разработана с учетом частичной схожести предыдущих и последующих кадров. Это позволило уменьшить частоту обращения к памяти видеоадаптера и, как следствие, уменьшить время формирования нового кадра. Подсистема представляет собой систему буферизации и кэширования операций над видеопамятью. При выполнении операций вывода происходит учет изменений в специальном буфере, и только данные изменения в дальнейшем отображаются на физическом экране.

Авторы понимают, что принятая парадигма обучения существенно ограничивает возможности обучения (например, в режиме контроля ответы возможны только в форме меню), и тем не менее разработанные инструментальные средства были апробированы при создании обучающих систем как вузовского, так и производственного назначения и показали неплохие возможности для обучения. Ограничения, связанные с применением графических форматов, преодолимы путем замены подсистемы декодирования анимационных файлов. Сделать это несложно, так как подсистема выполнена в рамках ООП.