Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Общие принципы разработки КУП 17
1.1 Тенденции развития электронного образования 20
1.1.1 К вопросу о целесообразности создания и использования обучающих программ.. 20
1.1.2 Электронное образование: история развития 22
1.2 Современная концепция КУП 25
1.2.1 Виды КУП и предъявляемые к ним требования 26
1.2.2 Использование гипертекстового представления данных 38
1.2.3 Роль мультимедиа-технологий в электронном образовании 40
1.3 Средства проектирования и разработки КУП 42
1.4 Выводы 50
ГЛАВА 2 Теоретическое обоснование целесообразности автоматизации процесса разработки КУП 53
2.1 Этапы разработки КУП 55
2.1.1 Предварительный этап 56
2.1.2 Анализ требований и спецификация 57
2.1.3 Этап кодирования и тестирования 60
2.1.4 Лицензирование и тиражирование 63
2.1.5 Завершающий этап 65
2.2 Концепция автоматизации разработки КУП 68
2.2.1 Учет психологических и педагогических особенностей использования КУП при обучении 68
2.2.2 Фреймовая модель обучения 79
2.2.3 Интерфейс - лицо обучающей программы 81
2.2.4 Системный подход к разработке 83
2.3 Привлечение вычислительных систем к процессу разработки КУП 88
2.4 Выводы
ГЛАВА 3 Автоматизированный комплекс EDUCAD 97
3.1 Общие сведения о комплексе 99
3.2 Состав комплекса EDUCAD 102
3.2.1 Автоматизированная система EduCAD Textbook 103
3.2.1.1 Внутренние языки разметки ECHTL и ECVPDL 106
3.2.1.2 Синтаксический анализ данных 108
3.2.1.3 Система масштабирования кадра 110
3.2.1.4 Формат хранения данных 111
3.2.2 Автоматизированная система EduCAD Control 114
3.2.3 Автоматизированная система EduCAD Presentation 114
3.2.3.1 Структура классов 115
3.2.3.2 Формат хранения данных 118
3.2.4 Динамический шаблон EduCAD Practice 119
3.2.4.1 Программная реализация шаблона 120
3.2.4.2 Предоставляемые возможности. 126
3.2.4.3 Представление решения задачи в виде дерева 128
3.2.4.4 Генерация программного кода 130
3.2.4.5 Мастер настройки EduCAD WisePractice 134
3.3 Особенности представления данных 135
3.4 Дальнейшие перспективы развития комплекса 136
ГЛАВА 4 Опыт применения автоматизированного комплекса EDUCAD в разработке КУП 141
4.1 Планирование разработки 142
4.1.1 ЭОК «Концепции современного естествознания» 142
4.1.2 ЭОК «Вычислительная математика» 143
4.1.3 ЭОК «Методы оптимизации» 144
4.1.4 ЭОК «Основы теории управления» 145
4.2 Разработка презентаций и мультимедийных лекций 147
4.3 Разработка гипертекстовых электронных учебников 148
4.4 Разработка математических тренажеров 149
4.5 Контроль знаний студентов 150
4.6 Внедрение куп в образовательный процесс 151
Заключение 152
Литература 154
Приложения 162
- Электронное образование: история развития
- Этап кодирования и тестирования
- Автоматизированная система EduCAD Textbook
- ЭОК «Основы теории управления»
Введение к работе
С момента появления первых больших ЭВМ и по сей день, интенсивно изучаются проблемы разработки и проектирования системного и прикладного программного обеспечения. На эту тему написаны тысячи книг и научных статей. Не имея возможности привести весь список работ, ограничимся фактом того, что общепризнанным трудом в этой области является многотомная монография одного из крупнейших специалистов по системному программированию Дональда Кнута [40].
В настоящее время развиваются новые направления исследований данной области, в частности, системные исследования в области компьютерных технологий и систем, методологии анализа и синтеза новых информационных решений, в том числе и в образовании [23].
Для проектирования систем до недавнего времени применялись сложные профессиональные методики и программные средства. Одним из пионеров в данной области можно назвать стандарт CALS (Computer-Aided Lifecycle Support, т.е. информационная поддержка всего жизненного цикла изделия). По методике CALS, при проектировании создавался информационный двойник рассматриваемой системы, с которым затем можно было проводить любые исследовательские операции. В середине 80-х годов, в связи с усложнением разрабатываемых систем, были выдвинуты новые требования и к системам проектирования. Созданный в то время стандарт STEP позволял проводить формализованные описания довольно сложных природно-технических объектов. Он являлся одним из единственных форматов, позволяющих обмениваться данными системам разных разработчиков [70].
Затем, в связи с бурным развитием области программного обеспечения, для проектирования программных систем потребовались новые методы, не укладывающиеся в старые концепции и имеющие мало общих точек соприкосновения с проектированием систем в целом. При проектировании сложного программного обеспечения в настоящее время широко применяется технология
CASE (Computer-Aided Software Engineering) [20]. Это совокупность методологий анализа, проектирования, разработки и сопровождения сложных систем программного обеспечения, поддержанная комплексом взаимосвязанных средств автоматизации. CASE-технологии позволяют оптимизировать любую систему уже на этапе проектирования.
Для этих целей был также разработан специальный язык UML (Unified Modeling Language, универсальный язык моделирования). Это индустриальный стандарт на язык для специфицирования, визуализации, конструирования и документирования программных систем [18], разработанный методологистами G. Booch, Т. Jacobson и J. Rumbaugh из Rational Software. Многие современные системы проектирования поддерживают язык UML. Например, это объектно-ориентированная CASE-система Rational Rose [39].
Важно то, что последние версии таких распространенных сред программирования, как Borland Delphi и Borland C++ Builder, также поддерживают технологию CASE. Проектирование сложных программных систем становится доступно любому разработчику.
Однако, в случае с электронным образованием, можно сделать следующую аналогию с приведенным выше высказыванием: необходима разработка специализированного средства проектирования обучающих программных систем, так как они имеют особенности, не находящиеся в достаточной степени родственными программным системам вообще. Среди таких особенностей следует отметить глубокий психологический и социальный фактор разработки образовательного программного обеспечения [48], научно-методические, технологические и воспитывающие системы дидактических требований [63], и т.д.
Следовательно, требуются методы проектирования программных систем, направленные именно на поддержку электронного образования, а также методы формализации описания таких программ. Это действительно фундаментальная проблема.
Практически все известные системы проектирования обучающих программ являются разрозненными наборами программных средств, не подчи-
няющихся никаким общим стандартам. Разработанные с их помощью (или самостоятельно) компьютерные учебные программы (КУП), хотя и являются подчас оригинальными, не отвечают всей совокупности требований, предъявляемых к образовательным программам [31,49, 73, 80, 88, 89 и др.]. Таким образом, актуальность исследования обусловлена:
Бурным развитием, которое переживает сфера электронного образования в настоящее время;
Отсутствием требований к обучающим системам, формализованных в достаточной для математической и программной реализации степени;
Отсутствием аналогичных требований к системам, автоматизирующим разработку обучающих систем;
Большим объемом имеющейся пассивной информации (бумажных учебников), которую необходимо перевести в активную, электронную, форму;
Наличием обучающих программ в образовательном процессе в количестве, недостаточном для современного уровня развития информационных технологий в целом;
Высокими требованиями, предъявляемыми к готовым обучающим программам;
Трудностью создания без вспомогательных средств обучающих программ, удовлетворяющих выдвинутым обществом требованиям.
Цель данной работы состоит в создании автоматизированного комплекса для эффективной разработки КУП с учетом требований к современным обучающим программам.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Создать систему формальных требований, которым должны отвечать обучающие программы, и которые можно заложить в основу программной реализации;
Выявить систему требований к средствам автоматизации разработки обучающих программ, исходя из требований к КУП;
Разработать концепцию и структуру автоматизированного комплекса, предназначенного для создания КУП;
Создать автоматизированный комплекс и применить его для разработки КУП по естественнонаучным дисциплинам.
Можно заметить, что каждая следующая задача логически вытекает из предыдущей.
Методы исследования вытекают из поставленных задач. С дидактической точки зрения были рассмотрены плюсы и минусы электронного образования в целом, а также использование обучающих программ в частности. Были рассмотрены психологические, педагогические и другие аспекты. Для решения поставленных задач использовались методы вычислительной математики, теории вероятностей, теории автоматического управления и системного анализа. Были рассмотрены приведенные в литературе данные, относящиеся к исследованию. При программной реализации полученных концепций, использовались методы теории алгоритмов и языков программирования, теории компиляторов, структурного и объектно-ориентированного программирования, синтаксического анализа, математического моделирования и визуализации, опирающиеся на методы вычислительной математики.
Основные положения, выносимые на защиту, можно сформулировать следующим образом:
Совокупность требований, предъявляемых к разработке обучающих программ и автоматизированным средствам их разработки;
Алгоритмы функционирования различных компонентов КУП (общий шаблон-алгоритм интерактивного тренажера, многоуровневый алгоритм генерации программного кода, алгоритмы обработки и хранения данных, система интерфейса, гипертекстовый браузер, презентационные компоненты и др.);
Отдельные компоненты автоматизированного комплекса разработки КУП и комплекс в целом;
Электронные обучающие курсы, разработанные с помощью автоматизированного комплекса.
Научная новизна результатов исследования состоит в следующем:
Впервые предложена и обоснована полная совокупность требований к обучающим программам и средствам, автоматизирующим их разработку, существенно дополняющая известные требования и базирующаяся на педагогических, психологических и технологических принципах, а также на методах системного анализа;
Разработана оригинальная математическая модель оценки сложности фреймов с учебным материалом с точки зрения качества обучения;
Впервые созданы универсальный шаблон-алгоритм интерактивного тренажера и многоуровневый алгоритм генерации программного кода;
Создан автоматизированный комплекс, позволяющий разрабатывать все компоненты современных мультимедийных учебных курсов (презентации, электронные учебники, комплексы практических работ с математическими тренажерами, модули контроля знаний, лабораторные и контрольные работы) по естественнонаучным дисциплинам.
Практическая и теоретическая ценность работы. Выявленные требования к КУП дают возможность строить универсальные обучающие алгоритмы, не зависящие от операционной системы и среды программирования. По разработанным алгоритмам создано программное обеспечение. Таким образом, соблюдается принцип структурного проектирования сверху вниз (CASE), что позволяет существенно сократить время на кодирование и избежать многих ошибок, появляющихся при написании программы «с нуля», без использования методик и алгоритмов.
На базе системы требований и написанного программного обеспечения, в рамках автоматизированного комплекса EduCAD, к настоящему времени созданы четыре КУП. Имеются планы на дальнейшие разработки. То есть, на
практике подтверждено, что комплекс EduCAD позволяет качественно и достаточно быстро создавать различные обучающие программы.
Принципы, положенные в основу проектирования комплекса и концепции разработки обучающих курсов в его рамках, могут быть использованы другими авторскими коллективами для дальнейших исследований в области электронного образования и создания аналогичного программного обеспечения. Это же касается разработанных отдельных программных компонентов, которые могут быть использованы для конструирования других систем.
К настоящему времени не удалось формализовать в достаточной степени все критерии, которые выдвигаются к разработке обучающих программ (например, создание универсальной автоматизированной системы для проектирования комплексов лабораторно-практических работ). По достижении полной степени формализации всех аспектов разработки КУП, результаты работы можно использовать для создания спецификаций на образовательное программное обеспечение. В перспективе — языка моделирования, модифицированной для рассматриваемой области, специальной CASE-системы, учитывающей особенности средств поддержки электронного образования, и так далее, вплоть до государственных стандартов.
Достоверность результатов работы подтверждается применением научных основ системного проектирования прикладного программного обеспечения, системного анализа, а также внедренными в учебный процесс КУП по четырем естественнонаучным дисциплинам, созданным с помощью автоматизированного комплекса EduCAD.
Внедрение результатов диссертации и рекомендации по их дальнейшему использованию. С помощью автоматизированного комплекса EduCAD были разработаны мультимедийные учебные курсы по следующим дисциплинам: «Концепции современного естествознания — 2», «Вычислительная математика», «Основы теории управления», «Методы оптимизации». К разработанным обучающим курсам выпущены методические пособия. Все перечисленные КУП внедрены в образовательный процесс Томского межвузовского центра дистан-
ционного образования (ТМЦЦО). Кроме того, мультимедийный курс «Концепции современного естествознания — 2» внедрен в Новосибирской государственной академии экономики и управления (НГАЭиУ).
Автоматизированный комплекс EduCAD построен на расширяемой компонентной основе, позволяющей вносить изменения в его структуру с той целью, чтобы подготовленные в его рамках учебные пособия соответствовали новейшим тенденциям в области электронного образования. Положенные в его основу методологические и алгоритмические принципы могут быть использованы для дальнейшей разработки концепции обучающих программ и средств автоматизации их разработки.
Апробация работы и публикации. Методика исследования обсуждалась на заседаниях семинара «Автоматизированные системы в учебном процессе» в 2001 году.
По теме диссертации опубликовано 27 работ, в том числе:
7 статей, среди которых 4 в центральной печати;
Учебные пособия к КУП по дисциплинам «Вычислительная математика», «Основы теории управления» и «Методы оптимизации»;
Материалы 17 докладов на конференциях.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Международной научно-практической конференции «Технический университет: дистанционное инженерное образование» (Томск, ТПУ, 2000 г.);
VI международной конференции «Информационные технологии обучения», ИТО-2000 (Санкт-Петербург, СПбГЭТУ, 2000 г.);
XXXVIII международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс. Информационные технологии» (Новосибирск, НГУ, 2000 г.);
Четвертой региональной научно-технической конференции «Радиотехнические и информационные системы и устройства» (Томск, ТУСУР, 2000 г.);
Научно-методической конференции «Современное образование: качество и новые технологии» (Томск, ТУСУР, 2000 г.);
7-й международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири», СИБРЕСУРС - 7-2001 (Барнаул, 2001 г);
Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2002
г.);
XI международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании» (Кемерово, КемГУ, 2002 г.);
Региональной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении» (Юрга, 2002 г.);
Межрегиональной научно-технической конференции «Научная сессия ТУСУР» (Томск, ТУСУР, 2002 г.);
Всероссийской научно-практической конференции-выставке «Единая образовательная информационная среда: проблемы и пути развития» (Томск, ТГУ, 2002 г.);
Региональной научно-методической конференции «Современное образование: интеграция учебы, науки и производства» (Томск, ТУСУР, 2003 г.).
Дипломная работа на тему «Автоматизированная система разработки электронных учебников», в которой отражены начальные этапы исследования, отмечена дипломом открытого конкурса Министерства образования РФ на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах РФ в 2001 году.
Учебный комплекс по дисциплине «Концепции современного естествознания — 2» в составе КУМПО (комплексного учебно-методического программного обеспечения) на Сибирской ярмарке 2002 года в г. Новосибирске получил Большую золотую медаль. Этот учебный комплекс зарегистрирован в депозитарии электронных изданий ФГУП НТЦ «Информрегистр» Министерства РФ по связи и информатизации 16 января 2003 года, ему присвоен номер государственного учета 0320300013. Готовится к регистрации учебный комплекс по дисциплине «Вычислительная математика».
Личный вклад диссертанта. В диссертации приведены только те результаты, в получении которых автору принадлежит основная роль. Опубликованные работы написаны либо без соавторов, либо в соавторстве с сотрудниками коллектива по разработке компьютерных учебных пособий кафедры АСУ ТУСУР.
Все программные компоненты автоматизированного комплекса EduCAD, за исключением автоматизированной системы EduCAD Control, созданы автором. Личный вклад в разработку учебных пособий:
«Концепции современного естествознания»: программирование и дизайн электронного учебника. Автор материалов по дисциплине - профессор НГАЭиУ Дубнищева Т.Я.
«Вычислительная математика»: ядро курса, анимированные презентации, гипертекстовый электронный учебник, практические работы. Автор материалов по дисциплине - профессор кафедры АСУ ТУСУР Мицель А.А.
«Концепции современного естествознания — 2»: ядро курса, совмещенное с гипертекстовым электронным учебником. Автор материалов по дисциплине - профессор НГАЭиУ Дубнищева Т.Я.
«Основы теории управления»: ядро курса, анимированное введение в учебник, программа генерации контрольных работ, глоссарий. Автор материалов по предмету — заведующий кафедрой АСУ ТУСУР, профессор Кориков A.M.
«Методы оптимизации»: ядро курса, анимированные презентации, часть глав гипертекстового электронного учебника. Авторы материалов по дисциплине - профессор кафедры АСУ ТУ СУР Мицель А.А. и доцент кафедры АСУ ТУСУР Шелестов А.А.
Структура и объем диссертации. Приведенные цели и задачи определяют структуру и содержание исследования. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 93 наименований и 3-х приложений. Общий объем диссертации - 181 страница, в том числе 34 рисунка на 27 страницах, 17 таблиц и листингов на 25 страницах.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, профессору кафедры АСУ ТУСУР, д.т.н. Мицелю А.А. за постоянное наблюдение за ходом выполнения работы, замечания, касающиеся корректности некоторых ее аспектов, терпение и внимание.
Отдельной благодарности заслуживает коллектив кафедры автоматизированных систем ТУСУР за помощь и поддержку во время выполнения диссертационной работы, за знания, полученные автором во время обучения в качестве студента.
В решении некоторых вопросов, касающиеся оформления работы, а также части материала первой и второй ее глав, принимали участие доцент кафедры АСУ ТУСУР, д.т.н. Катаев М.Ю., ст. преподаватель, к.т.н. Бойченко И.В., аспиранты Веретенников М.В., Клыков В.В., Миляков А.В., Окладников И.Г.
Электронное образование: история развития
Компьютерные учебные пособия (программы) (КУП), в том или ином виде, разрабатывались уже со времен появления первых больших ЭВМ [49]. Естественно, что в связи с высокой стоимостью ЭВМ начала компьютерной эпохи и сложностью обращения с ними, такие КУП не получили большого распространения. В качестве примера может служить проект системы PLATO [3,49].
Затем, в связи со значительным снижением стоимости ЭВМ, вызванным научным и техническим профессом в компьютерной индустрии, во многих технических вузах появились свои большие многотерминальные ЭВМ. Разработанные для таких ЭВМ КУП и инструментальные средства их разработки получили уже большее распространение, но практически по всем характеристикам отставали от современных электронных учебных пособий (ЭУП). Это зарубежные TICCIT, SHUMT, СТАР, MonARCH и отечественные системы САПФИР, МАЭСТРО-А, РЕКОН, ПРОПС-М, АОС ВУЗ, СПОК, ОСКАР, АСУ ВУЗ, АДОНИС [3,44,49].
Однако, «в методологическом плане создание и применение компьютерных средств поддержки профессиональной подготовки развивалось по двум направлениям; первое базируется на идеях программированного обучения, создании различных автоматизированных обучающих систем (АОС), которые построены с помощью авторских разработок и направлены на решение определенной задачи, зачастую вычислительной и не предусматривающие учебных функций; второе направление предусматривает создание отдельных программ или пакетов прикладных программ (111111), элементов автоматизированных систем (АСУ, САПР и т.д.), предназначенных для снижения трудоемкости расчетов, поиска оптимальных решений, исследование свойств объектов на математических моделях и т.д.» [3]. Пакет прикладных программ - это совокупность программного обеспечения, разработанная для решения определенной задачи.
Под ЭУП понимаются не только КУП, т.е. программные учебные пособия, функционирующие посредством компьютера, но и специализированные электронные устройства, созданные для образовательных целей. Например, использующееся в ТУСУР устройство «СИМВОЛ» [93]. Конечно, правильнее было бы рассматривать не сами устройства, а программы, в них заложенные, но так как они неразрывно связаны, в контексте данной работы эти понятия можно считать идентичными. Таким образом, термин «КУП» является более узким понятием. Далее по тексту будут использоваться оба термина в зависимости от того, какой аспект функциональности учебного пособия, о котором идет речь, необходимо подчеркнуть. В литературе встречаются и другие обозначения: автоматизированная обучающая система (АОС) [3, 48], электронный учебник (ЭУ) [60, 63, 80, 84, 89]. В данной работе термин «ЭУ» употребляется только по отношению к гипертекстовым электронным учебникам (этот термин раскрыт ниже), представляющим лекционный материал по дисциплине.
Очередной скачок развития произошел с появлением персональных ЭВМ. Компьютер стал доступен массовому пользователю, что стимулировало разработку программного обеспечения (ПО), в том числе программного обеспечения поддержки образовательного процесса (еще один вариант названия - УМПО, учебно-методическое программное обеспечение).
Но с момента появления первых компьютерных учебных программ на базе персональных ЭВМ и до недавнего времени накопление информационных образовательных ресурсов шло, в большинстве случаев, в количественном направлении. Создавались различные обучающие системы и игры, практически не связанные друг с другом и не подчиняющиеся общим стандартам.
Резкая необходимость совершения нового качественного скачка возникла в конце XX века. Это было связано с ростом возможностей персональных компьютеров - увеличением производительности, большим объемом доступной памяти, высокой разрешающей способностью мониторов, удобными устройствами ввода информации, повышением функциональности плат расширения (видео, аудио). Как следствие - развитие ПО: новые операционные системы (ОС) с графическим интерфейсом, программные средства мультимедиа [69, 89] и т.д. По сравнению с прошлым десятилетием, возможности разработчика КУП существенно возросли. Началось широкое внедрение КУП в образовательный процесс, использование КУП в дистанционном образовании [31, 68, 81, 85]. Это могло привести к окончательной путанице, потере в больших объемах учебной мультимедиа-информации основной идеи разработки обучающих программ.
В настоящее время возможности компьютеров позволяют объединить направления развития средств поддержки профессиональной подготовки, рассмотренные в работе [3]. Электронная обучающая программа, созданная на идеях программированного обучения с помощью авторской разработки, легко может включать в свой состав любые элементы автоматизации, различные модели, может проводить синтез и анализ новых решений [23] и многое другое.
Для выделения на фоне количественных показателей яркого качественного перехода предпринимается масса усилий. К разработке КУП подключаются не только программисты, как это было ранее, но и педагоги, психологи, дизайнеры, юристы, а также представители других профессий. Совершается попытка ввести единую концептуальную основу создания КУП [2, 3, 14, 48, 88]. «Современный электронный учебник - целостная дидактическая система» [63]. Далее, там же выделяются три ведущие подсистемы в целостной системе дидактических требований, предъявляемых к КУП: 1. Научно-методическая (усвоение студентами системы научных знаний из данной предметной области); 2. Технологическая (дает возможность проектировать учебно-воспитательный процесс, который практически осуществляется в ходе работы студента с КУП); 3. Воспитывающая (качество обучения, нравственное и культурное развитие студента как интеллигента). «Обычный учебник был и еще долго останется основным «орудием» ученика. Любой текст значительно удобнее изучать в напечатанном виде, чем на экране компьютера» [89]. Все дело, очевидно, в неэргономичности компьютера с образовательной точки зрения, его невозможно, например, носить с собой. Хотя, сейчас все большее распространение получают различные портативные компьютеры (notebooks, «наладонные» системы). Они более удобны, но разработчику КУП необходимо предусмотреть, что с его творением будут работать на абсолютно различных компьютерных платформах. Поэтому, при создании нового КУП, необходимо задаться вопросом: какое именно новое качество приобретет учебник по сравнению с традиционной формой, целесообразна ли разработка КУП, если уже есть обычный?
Этап кодирования и тестирования
Несомненно, анализ требований — один из самых ответственных этапов разработки. Покажем это. Допустим, что в данный момент времени авторский коллектив находится на некотором этапе разработки КУП. Тогда действия разработчиков могут развиваться по алгоритму, изображенному на рис. 2.1.
Предположим, что к разработке КУП коллектив приступил, имея некоторое множество RQ альтернатив реализации. На каждом этапе разработки происходит конкретизация различных ее аспектов, то есть часть альтернатив отбрасывается:
Здесь N — общее количество этапов разработки. Если на очередном этапе оказалось, что решить проблему на заданном множестве альтернатив не представляется возможным, это означает, что множество R( пусто. Таким образом, цель проектирования не может быть достигнута. В этом случае необходимо вернуться на предыдущий этап разработки, и пересмотреть принятые в ходе него аналитические и конструкционные решения.
Например, забегая немного вперед, можно привести следующий пример. На этапе анализа системных требований к ЭВМ, в рамках которой будет функционировать КУП, предполагаемые требования оказались занижены. При кодировании оказалось, что невозможно реализовать КУП, отвечающий составленным спецификациям и способный работать на предложенной конфигурации ЭВМ. Требуется либо пересмотреть системные требования, либо пойти еще дальше и пересмотреть концепцию проектируемого КУП. Второй случай может возникнуть, если конфигурация ЭВМ, необходимая для реализации всех запланированных функций, слишком высока или вообще не существует в природе. То есть, может возникнуть ситуация, когда возвращаться нужно не на один шаг разработки, а на некоторое число шагов. Чем раньше при проектировании была упущена необходимая альтернатива реализации, тем дальше придется вернуться назад по этапам разработки. Это ведет к увеличению общего времени разработки и финансовых затрат на нее.
Следовательно, на каждом этапе необходимо обдуманное принятие решений. Это тем более важно при анализе требований, т.к. уже говорилось, что при определенном стечении обстоятельств предыдущий этап может быть пропущен. Таким образом, аналитический этап в общем случае является первым при разработке КУП, и только от выбранных во время него путей решения проблемы зависит начальное множество альтернатив решения. Проектирование в принципе может быть успешным, если то есть при правильном проведении этапов разработки решение проблемы существует. Если никакими средствами решить проблему не удалось, это означает следующее. Либо решение проблемы на современном уровне развития науки, техники и общества принципиально невозможно, либо авторский коллектив просто не в состоянии правильно сформулировать предпосылки и цели разработки.
В работе [60] данные этапы разработки распределены на следующие: аналитический; стратегический; тактический. На аналитическом этапе происходит разработка общего замысла проекта, построение информационной модели, формулировка основных дидактических задач и целей обучения, предварительное определение содержимого КУП. На стратегическом этапе осуществляется определение контингента обучающихся. Это влияет на выбор линии обучения и уровня сложности предлагаемого материала. Тактический этап более конкретен, в это время проводится разработка композиции и общего плана, детального сценария КУП. Также определяются требования к программным и аппаратным средствам, необходимым для устойчивого функционирования КУП. Анализ требований и спецификация - последний из этапов проектирования, на котором сложно применить формальные правила автоматизации процесса разработки КУП. Проведенные автором исследования в данной области показывают, что решением проблемы является: Во-первых, выявленная система требований на компьютерные учеб ные программы. Этот аспект был достаточно подробно изучен, поэто му, воспользовавшись сделанными выводами, разработчик КУП мо жет сэкономить много времени и ресурсов. Уже сейчас при проекти ровании КУП можно пользоваться различными CASE-средствами. При разработке глобальных стандартов на проектирование обучающих программ, появятся соответствующие автоматизированные программные средства, нацеленные на решение проблем СЭО. Во-вторых, происходит осмысление некоторой экспертной системы, которая, будучи в курсе всех исходных посылок и целей разработки, а также учитывая существующие требования и спецификации на проектирование КУП, позволит автоматизировать некоторые аспекты аналитического этапа разработки КУП. В частности, оценить необходимый объем работ и потребных ресурсов, автоматизировать составление спецификаций и другой документации, предложить варианты реализации других этапов.
Автоматизированная система EduCAD Textbook
Как видно из рисунка, для такого большого количества компонентов комплекса EduCAD и ЭОК, связей между ними не так уж много. Это достигается как раз благодаря введению центров управления.
На данный момент центр управления АК EduCAD - это набор формализованных соглашений о формате обмена данными его компонентов с различными хранилищами данных по текущей предметной области и друг с другом. Такая унификация позволит в дальнейшем создать программный центр управления без существенных изменений компонентов комплекса.
Центр управления ЭОК реализуется на программном уровне. Это необходимо для экономии вычислительных ресурсов системы, в которой функционирует ЭОК. ЦУ предотвращает повторный запуск уже загруженных компонентов ЭОК посредством обмена управляющими сигналами, обозначенными на схеме тонкими стрелками.
Учитывая степень визуальности автоматизированных систем, проектировщик ЭОК может наглядно видеть имитацию функционирования программ уже во время разработки. Это позволяет избежать многих ошибок при написании обучающих программ.
Клиентская часть представлена компонентами, входящими в сам АК EduCAD, но с урезанной функциональностью. Они обладают возможностью только просматривать предметные данные, но не редактировать их.
Textbook пополняет учебную базу данных гипертекстовой информацией, представляющей лекционный материал по дисциплине [72-75, 77]. Это растровые и векторные графические данные, мультимедиа-информация, форматированная текстовая информация с системой ссылок. Форматирование текста и его просмотр осуществляется с помощью разработанного специально для этих целей браузера THyperText (рис. В.1, приложение В).
В том случае, когда функциональности системы недостаточно для реализации поставленной задачи, предусмотрено подключение динамических библиотек. Подключаемая библиотека должна иметь две обязательные функции -инициализации (вызывается при подключении библиотеки к странице учебника) и завершения работы (вызывается при закрытии страницы). Формат данных функций следующий:
Первый параметр является указателем на активную основную страницу учебника (нулевого уровня), второй - на активную дополнительную страницу, (если она есть, иначе этот параметр равен NULL), третий - на строку, содержащую параметры вызова DLL.
Клиентская часть системы (КЧ) позволяет пользователю просматривать учебник, но, в отличие от серверной части (СЧ), не редактировать его. Если исполняемый файл запускать с параметром, то он воспринимается как идентификатор страницы, с которой следует начать просмотр. Это позволяет открывать учебник на нужной странице при его вызове из других программ (например, в качестве справочного материала по предмету из практических работ).
На рис. В.2 (приложение В) показан пример разработки электронного учебника по дисциплине «Методы оптимизации» в системе EduCAD Textbook 2.0. Содержимое кадра отображается компонентом THyperText, который использует для графического оформления компонент TVectorPicture.
Для представления учебной информации используется фреймовая модель обучения. Система отвечает таким требованиям, выдвинутым к КУП, как гипертекстовое представление данных, сквозное пролистывание учебного материала, создающее иллюзию непрерывности обучения, динамическое формирование содержимого. Данные хранятся в независимых блоках. На первом уровне иерархии - главы учебного материала, далее - параграфы, и т.д., до неделимых информационных пунктов. Эти блоки легко удалять, добавлять и модифицировать. Обеспечиваются требования навигации по структуре ГЭУ, возврат к прочитанному ранее материалу, перекрестные ссылки. Возможно воспроизведение мультимедийной информации в рамках разрабатываемых ГЭУ.
Поддерживаются также несколько способов навигации, т.е. можно задавать последовательности, в которых будет преподноситься учебный материал.
Оценка качества кадров ГЭУ с точки зрения эффективности обучения осуществляется по технологии, описанной в пункте 2.2.1 данной работы. максимальное количество идущих подряд несвязанных понятий. Таким образом, алгоритм формирования ГЭУ следующий. Несколько первых кадров оценивает группа экспертов (из числа разработчиков ГЭУ, учеников, учителей и т.д.). Если оценка не удовлетворяет желаемому значению, происходит переформирование кадра, и оценка повторяется. По окончании работы с экспертами имеем некоторую базу данных оценок щУ причем одному и тому же НД могут соответствовать несколько экспертных оценок. Этап экспертного опроса очень трудоемкий и ведет к большим затратам, в том числе экономическим. Поэтому оценивать подобным образом все кадры ГЭУ нецелесообразно. После создания экспертной БД остальные кадры оцениваются, как это следует из формулы (2.12) по следующему выражению (реакция hq принята за единицу, т.к. ее невозможно оценить во время разработки):
ЭОК «Основы теории управления»
Основы теории управления - одна из немногих общепрофессиональных дисциплин учебного плана специальности 220400, формирующая у студента, будущего инженера, знание, понимание и умение решать сложные проблемы автоматизации реальных технологических процессов и производств. Большая часть учебных курсов упомянутой и смежных специальностей посвящена проблемам управления и проектирования высокоорганизованных вычислительных сред, в которых нет места возмущениям и априорной неопределенности реального мира. В этой связи роль теории управления в современном инженерном образовании трудно переоценить. Теория управления на всех этапах своего развития тяготела к строгим математическим методам изучения процессов управления и проектирования систем управления. Разнообразные разделы математики, иногда совершенно различные по идеям и методам исследования (дифференциальные и разностные уравнения, теория функций комплексного переменного, теория оптимальных процессов, теория вероятностей, математическая логика и т.д.), трансформировались в математические методы и модели теории управления. Сотрудничество с математикой оказалось столь плодотворным, что многие разделы математики были порождены постановками задач и проблемами теории автоматического регулирования и управления, развившейся, в свою очередь, в математическую теорию управления - основу кибернетики как науки об управлении. Это еще более усиливает роль теории управления как важнейшей учебной дисциплины, входящей с незначительными отклонениями в названии во все программы инженерного образования.
Целью разработки является создание ЭОК по дисциплине «Основы теории управления». Данная дисциплина изучается на специальностях 220200, 220300, 220400, и при незначительных изменениях по названию и объему - на специальностях 210100, 210200, 200400, 552800, а также в других вузах на смежных специальностях. Элементы данной дисциплины используются в других дисциплинах (системы цифровой обработки сигналов, компьютерное моделирование, теория оптимального управления экономическими системами и др.), поэтому можно говорить о ее широком распространении в различных высших учебных заведениях [53].
ЭОК создан по учебно-методическим материалам профессора Корикова A.M., заведующего кафедрой автоматизированных систем управления ТУСУР. Презентационные части (центры управления) ЭОК по дисциплинам «Вычислительная математика» и «Методы оптимизации» разработаны в автоматизированной системе EduCAD Presentation. Перечисленные центры управления ЭОК представляют собой ссылки на все имеющиеся в составе обучающих комплексов ресурсы, а также служат для воспроизведения видео- и аудиоинформации, входящей в состав комплекса и презентационных файлов, разработанных системой EduCAD Presentation. Они представляют собой краткие анимированные введения в материал учебника со звуковым сопровождением. В презентации отображаются основные формулы и графики для каждой темы дисциплины. Голос диктора «за кадром» комментирует информацию на экране по мере ее появления, произносит основные термины и определения. На рис. В.5 (приложение В) показана презентационная часть ЭОК «Вычислительная математика», а на рис. В. 12 — ЦУ ЭОК «Методы оптимизации». В ЭОК «Основы теории управления» анимированные лекции не использовались, поэтому для реализации центра управления (см. рис. В. 13) использовалась среда разработки Borland Delphi 7.0. В ЭОК «Концепции современного естествознания — 2» ЦУ совмещен с гипертекстовой частью курса (см. рис. В.9). Презентационные части всех разработанных ЭОК содержат различную мультимедиа-информацию. Сюда входят: 1. Видеолекции, посвященные введению в предметные области; 2. Аудиофайлы (с анимационным сопровождением), содержащие информацию об ЭОК и их разработчиках; Разработаны также ЭУ с лекционным материалом по рассматриваемым дисциплинам (рис. В.9, В.10, В.11, В.14 приложения В). Учебники построены по гипертекстовой технологии. Это означает, что если в учебнике расположена ссылка на какую-либо информацию, то к этой информации можно перейти, просто щелкнув по ссылке мышкой. Таким образом, ГЭУ представляют собой единые связанные документы, сформированные по кадрам определенным образом. На кадре размещается основная информация по предмету, вся дополнительная информация (доказательства теорем, примеры и т.п.) появляется на встроенных панелях при выборе ссылки на нее. ГЭУ выполнены в автоматизированной системе EduCAD Textbook 2.0. Материал учебников представлен в виде блоков, каждый блок соответствует параграфу (или другому пункту иерархии) лекционного материала. Это сделано для того, чтобы при необходимости имеющийся материал можно было легко модифицировать - удалять ненужные блоки, вставлять новые, менять линию обучения.
Навигация по ГЭУ «Вычислительная математика» в двух режимах - по лекциям и по главам. В лекционном режиме материал дается в том порядке, в каком он дается преподавателем на лекциях. В режиме навигации по главам материал преподносится в порядке основного содержания. В ЭОК «Концепции современного естествознания - 2» ядро курса совмещено с гипертекстовым электронным учебником, позволяющим просматривать мультимедиа-информацию (рис. В.9 приложения В). Для ЭОК «Основы теории управления» при помощи AC EduCAD Textbook 2.0 построен глоссарий (рис. В.15).
Как видно из рисунков, у каждого ГЭУ есть своя обложка, причем она не всегда совпадает с титульным кадром ЭОК. Поэтому при отдельном запуске ГЭУ точкой входа является его обложка, а при запуске из ядра курса - главное содержание.
