Введение к работе
Актуальность темы. Современные образовательные технологии требуют
значительной интенсификации процесса обучения, заключающейся в увеличении
доли самостоятельной работы^ учащихся. Использование учебной литературы не
позволяет в полном объеме решать указанные. задачи, поэтому в учебном
процессе все шире начинают использоваться средства автоматизированного
обучения. Эти средства позволяют преподнести учащемуся изучаемый материал
на качественно новом уровне и оперативно закрепить или проверить его знания
путем проведения опросов, например, в форме теста. Анализ истории развития
средств автоматизированного обучения показывает, что их возможности
расширялись по мере эволюции ЭВМ. Так, в настоящее время широкое
распространение получили наиболее перспективные, с позиций достижения
максимальной эффективности результатов учебного процесса,
автоматизированные обучающие системы (АОС), представляющие собой интегрированные программные системы для обучения и контроля знаний учащихся.
Однако, несмотря на огромный спрос на АОС, большинство из них не удовлетворяют запросам пользователей по своим функциональным возможностям и качественным характеристикам. Можно выделить следующие причины такого положения:
преподаватель, использующий АОС, и, ее разработчик воспринимают проблему разработки АОС в рамках своих индивидуальных профессиональных знаний, что не 'Позволяет четко сформулировать задачу в целом, наметить и реализовать на практике наиболее рациональные пути ее решения, в результате чего требования заказчика к АОС реализуются не в полном объеме;
отсутствие стандартных приемов проектирования АОС влечет за собой неоправданное увеличение сроков их разработки;
отсутствие методики автоматизация проектирования ДОС снижает производительность разработчиков и требует сосредоточения их внимания на программной стороне задачи вместо ее информационного наполнения.
Анализ этапов развития АОС показывает, что решение отмеченной проблемы их совершенствования целесообразно решать в следующих направлениях.
Проектирование большинства программных систем производится на основе общеизвестных методов структурного подхода к проектированию, которые рассматривают их как сложную многосвязную систему с большим числом разнородных объектов. Основные положения этого подхода рассмотрены в работах Лингера Р, Фокса Дж, Брукса Ф.П., Горбатова В.А., Логиновского О.В.
Структурный подход позволяет достаточно эффективно проектировать сложные программные системы, однако, он имеет существенные недостатки.
которые ограничивают его применение в современной индустрии программного обеспечения. К числу этих недостатков относятся:
достаточно низкий уровень абстракции, который - не позволяет
оперировать терминами предметной области для более эффективного
проектирования АОС;
» метод структурного подхода в проектировании АОС осложняет ее дальнейшую эволюцию, что, в конечном итоге, выливается в усложнение и удорожание программной системы в целом.
Преодоление указанных недостатков структурного проектирования ведется на основе широко распространенных методов объектно-ориентированного подхода (ООП), основы которых рассмотрены в работах Г. Буча, М. Джексона, К. Орра, Б Страуструпа, П. Ирэ, С.С. Гайсаряна и др. Наиболее распространенные из методов ООП, такие как ОМТ, UML и т.д., рассматривают программную систему в терминах той предметной области, на которую она ориентирована, а возможность создания на базе существующей АОС более совершенной, является одним из принципов указанного подхода.
Использование ООП в проектировании сложных программных систем также имеет ряд недостатков, среди которых следует выделить:
сложность в определении объектов предметной области из-за практического отсутствия формальных методов их поиска;
низкий уровень абстракции ООП, который требует от разработчика решения задач проектирования и реализации практически всех аспектов функционирования программной системы, начиная от интерфейса пользователя и заканчивая доступом к базам данных, а также другими системными задачами.
Очевидно, что АОС представляет собой сложную программную систему, на создание которой требуются значительные трудозатраты. Поэтому для интенсификации процесса проектиррьания и реализации указанных программных систем необходим иной подход в проектировании, который, с одной стороны, рассматривал бы АОС на более высоком уровне абстракции, чем предлагает ООП, а, с другой стороны, позволял бы разработчику путем комбинации различных ее составляющих получать программные системы с заранее заданными функциональными возможностями.
Эффективным средством решения поставленной задачи является применение систем автоматизированного проектирования (САПР), которые не требуют от разработчика знаний основ программирования и позволяют создавать на основе описания модели требуемого объекта проектирования достаточно эффективные программные системы. САПР являлись предметом исследований Братищева Д.И., Белоцерковского О.М., Буркова В.Н., Гольдштейна "С.Л. Глушкова В.М., Зобнина Б.Б., Надточий ИД., Норенкова И.П., Петренко А.И., Прохорова А.Ф., Самойлова Д.С., Солом енцева Ю.М, Чашюва Р.П.
Существующие системы разработки АОС не являются средствами автоматизации проектирования, так как они ориентированы на разработку
обучающих курсов с фиксированными способами обучения и не позволяют проектировать АОС как программную систему.
С учетом вышеизложенного целью работы является разработка методологии автоматгаации проектирования обучающих систем с . использованием принципов ООП.
В диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
анализ АОС как прикладной системы;
анализ АОС как сложной системы в виде объектоз и отношений между ними;
получение множества моделей АОС на основе объектно-ориентированного подхода;
разработка типовых моделей АОС;
» разработка методологии автоматизации проектирования АОС;
реализация разработанной методики автоматизации проектирования
АОС.
Методика проведения исследований
В качестве методов исследований применялись теория множеств, теория системного анализа, теория графов и объектно-ориентированный подход к проектированию программных систем.
Научная новизна исследований заключается в следующем: » с помощью аппарата теории множеств формализованы понятия класса и объекта, и на их основе математически определено множество отношений между объектами, которое является основой для построения объектной модели типовой АОС;
впервые зведено понятие контейнера, как следующего уровня абстракции ООП, позволившее формально определить правила построения контейнерной модели АОС с определением критерия эффективности разбиения на контейнеры;
путем объединения преимуществ объектно-ориентированного и структурного подходов разработана методика автоматизированного проектирования АОС на базе объектно-контейнерного подхода (ОКІГ).
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработан и реализован необходимый набор контейнеров типовой АОС;
предложен и практически реализован технический метод взаимодействия контейнеров и объектов автоматизированной обучающей системы на основе компонентной архитектуры приложений современных операционных систем Windows 9х и Windows NT;
результаты исследований могут быть распространены на широкий круг сложных программных комплексов, как в учебном процессе, так и в других прикладных областях.
Рештазация результатов работы. Разработанный объектно-контейнерный подход и методика автоматгаации проектирования автоматизированных обучающих систем легли в основу:
контрольно-тестирующего комплекса Teach WizarcT98;
» имитационной обучающей программы «Эмулятор Internet;
Обучающего курса «Деньги».
Перечисленные работы внедрены в учебном и производственном процессе на приборостроительном, энергетическом и международном факультетах Южно-Уральского государственного университета, Челябинской междугородной телефонной станции и РНПО «РОСУЧПРИБОР», о чем имеются акты внедрения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на- Всероссийском методическом семинаре «Компьютерные технологии в образовании» (г. Челябинск, 1995), Всероссийской научно-методической конференции «Новые информационные технологии и учебная техника» (Челябинск, 1995г.), Всероссийской научно-методической конференции ТЕЛЕМАТИКА '97 (г. Санкт-Петербург, 1997г.), межрегиональном научно-практическом семинаре «Информатизация органов управления регионального и муниципального уровней» (г. Челябинск, 1998г.), межрегиональной научно-методической конференции «Проблемы и перспективы высшего профессионального образования в уральском регионе» (Челябинск, 1999г.). Практические результаты экспонировались на всероссийской выставке ЛЕНЭСКПО (Санкт-Петербург, 1997 г.) .
Связь с государственными программами:
Основные исследования выполнялись в рамках работ, проводимых по всероссийским научно-техническим программам «Информационные технологии в образовании и науке» (Приказ № 1273 от 30.12.94) и «Учебная техника» (Указание от16.01.98 № 33-18. Приказ № 580 от 5.03.99).
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 8 публикациях, в том числе подтверждены свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов по работе, содержание которых изложено на 179 страницах машинописного текста, иллюстрирована 89 рисунками, имеет 2 таблицы, перечень используемой литературы из 129 наименований, и приложения на 5 страницах машинописного текста.
