Содержание к диссертации
Введение... 8
Глава 1 Обзор тенденций развития в области
компьютерных тренажерных программ 19
Краткая история создания и применения компьютерных тренажерных программ 25
Новое поколение компьютерных тренажерных программ и их роль в учебном процессе 29
Проблемы и перспективы развития компьютерных тренажерных программ в открытом образовании 31
Принципы работы математических интерактивных компьютерных тренажеров 37
Виртуальные лабораторные практикумы 39
Моделирующие программы и требования к ним 41
Виртуальные лабораторные практикумы, сопряженные с реальными объектами 43
1.2.4 Применение систем искусственного интеллекта для разработки
икт ; 43
Инструментальные средства разработки компьютерных тренажерных программ 46
Существующие стандарты на разработку компьютерных тренажерных программ 51
Выводы 55
Глава 2 Моделирование интерактивного
компьютерного тренажера 57
2.1 Математическая модель тренажера 58
2.1.1 Функционирование модели в условиях нечеткой логики 59
2.2 Модель работы тренажера как программы 63
Структура и функционирование тренажерной программы 63
Система автоматизированной разработки интерактивных компьютерных тренажеров на базе XML 65
Задачи, которые должна решать автоматизированная система EduCAD Trainer ..65
Требования, предъявляемые к автоматизированная система EduCAD Trainer 66
Построение тренажера на основе сценария 61
Использование XML для описания сценария 70
Структура системы автоматизированной разработки интерактинвых компьютерных тренажеров 75
2.3 Некоторые часто использующиеся алгоритмы. ...78
2.3.1 Алгоритм сравнения выражений, заданных в аналитической
форме 78
Алгоритм построения линий уровня 80
Метод построения линий уровня с помощью аппаратных средств графического процессора 81
2.4 Выводы 86
Глава 3 Инструментальные средства разработки
интерактивных компьютерных тренажеров 87
3.1 Автоматизация разработки интерактивных компьютерных
тренажеров 88
Динамический шаблон EduCAD Practice 88
Автоматизированная система EduCAD Trainer 90
Принцип работы 90
Необходимый инструментарий 91
Возможности автоматизированной системы EduCAD Trainer 93
3.2 Визуальные компоненты 95
3.3 Интерактивная работа с математическими выражениями в
аналитическом виде 98
Ввод математических выражений в естественном виде 98
Развитие средств анализа математических выражений 108
3.4 Выводы ПО
Глава 4 Программная реализация интерактивных компьютерных
тренажеров для электронных обучающих курсов 111
4.1 Общие принципы разработки интерактивных компьютерных
тренажеров. 112
Информация от методиста 112
Пример: сценарий решения квадратного уравнения 112
4.2 Интерактивные компьютерные тренажеры для электронного
обучающего курса «Вычислительная математика» 115
Назначение 115
Состав и способы применения 117
4.3 Интерактивные компьютерные тренажеры для электронного
обучающего курса «Методы оптимизации» 119
Назначение 119
Состав и способы применения 121
4.4 Интерактивные компьютерные тренажеры для электронного
обучающего курса «высшая математика. интегральное
исчисление. Дифференциальные уравнения» 124
Отличительные особенности 124
Состав и способы применения 125
Сценарии тренажеров. Генерация параметров 126
4.5 Виртуальный лабораторный практикум «Физика» 129
4.6 Выводы 131
Заключение 132
Литература 134
Приложения 144
Приложение А. Визуальные компоненты разработки
ИКТ 144
Приложение Б. Экранные формы ИКТ 148
Приложение В. Акты внедрения 155
Список ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АЛЛ - автоматизированный лабораторный практикум.
АК - автоматизированный комплекс.
АОС - автоматизированная обучающая система.
АС - автоматизированная система.
БД - база данных.
БЗ - база знаний.
ВЛ - виртуальная лаборатория.
ВЛП - виртуальный лабораторный практикум.
ВП - виртуальный прибор.
ВР - виртуальная реальность.
ГЭУ - гипертекстовый электронный учебник.
ДО - дистанционное образование (обучение).
ДШ - динамический шаблон.
ИИ — искусственный интеллект.
ИКТ - интерактивные компьютерные тренажеры.
ИОС - информационно-образовательная среда.
ИТ - информационные технологии.
КТП - компьютерная тренажерная программа.
КУП - компьютерные учебные программы.
ОО - открытое образование.
ОС - операционная система.
ОУ - открытый университет.
ПК - персональный компьютер.
ПО - программное обеспечение.
111111 - пакет прикладных программ.
САПР - система автоматизированного проектирования.
СВР - система виртуальной реальности.
СДО - система дистанционного образования (обучения).
СУБД - система управления базами данных.
ТМЦДО - Томский межвузовский центр дистанционного образования.
ТУСУР - Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники.
ЭВМ - электронная вычислительная машина.
ЭОК - электронный обучающий комплекс (курс).
ЭУП - электронное учебное пособие.
ЯП - язык программирования.
COM (Component Object Model) - компонентная модель объектов.
HTML (Hypertext Markup Language) - язык разметки гипертекста.
CASE (Computer-Aided Software/System Engineering) - автоматизированное проектирование программных продуктов (систем).
IMS (Instructional Management Systems) - стандарт систем организации обучения.
OLE (Objects Linking and Embedding) - технология связывания и встраивания объектов.
SCORM (Sharable Content Object Reference Model) - модель обмена учебными материалами.
SDK (Software Developer's Kit) - комплект средств разработчика ПО.
SQL (Structured Query Language) - структурированный язык запросов.
VCL (Visual Components Library) - библиотека визуальных компонентов, разработанная корпорацией Borland.
VRML (Virtual Reality Modeling Language) - язык моделирования виртуальной реальности.
XML (Extensible Markup Language) - универсальный расширяемый язык разметки.
Введение к работе
По некоторым оценкам, своего расцвета информационная цивилизация достигнет к середине XXI века, и уже наши дети будут жить и работать в совершенно новой информационной среде обитания. Поэтому современная система образования должна опережающее готовить новое поколение к условиям существования и профессиональной деятельности в глобальном информационном обществе. Происходящие структурные изменения в экономике, социальной и политической жизни требуют переподготовить около 40 млн. человек по всем направлениям профессионального, гуманитарного и социально-экономического образования в период до 2007 года. Бурный рост технологически совершенствующихся отраслей деятельности предполагает, что не менее 40-50% должны иметь высшее образование [62]. По оценкам футурологов, в информационном обществе высшее образование должны иметь 60-90% работающего населения
[4].
Указанные объективные факторы и прогнозы обуславливают повсеместное привлечение информационных и телекоммуникационных технологий для оказания образовательных услуг с целью глобального расширения обучающейся аудитории. Взаимодействие, интеграция и стандартизация этих услуг приводит к появлению среды открытого образования (ОО). В нашей стране эта среда развивается в рамках программы Министерства образования и науки РФ по созданию системы (ОО), при этом внедряется единая информационно-образовательная среда открытого образования РФ (ИОС ОО РФ). При этом в основе создания ИОС ОО лежат технологии адаптивного ОО с использованием современных информационных и телекоммуникационных технологий. Таким образом, одним из основных средств ОО является дистанционное обучение (ДО), определенное в работе [73] как «...совокупность технологий, позволяющих реализовать образовательный процесс с удаленным пользователем». Главнейшая задача дистанционного обучения - не снижая высокого качества профессиональной подготовки, сделать ее поистине массовой. Однако факты гово-
рят о том, что высокого качества профессиональной подготовки с помощью средств ДО удается достичь отнюдь не всегда. В первую очередь это касается естественнонаучного (инженерного) образования.
Получение естественнонаучного (инженерного) образования связано с рядом особенностей, которые сильно затрудняют использование информационных технологий ДО. Главные из них связаны с тем, что для этих специальностей принципиально необходима повседневная практическая деятельность в виде регулярно выполняемых лабораторных работ и практических занятий по решению задач [27, 77]. Считая проблему принципиально разрешимой в ближайшем будущем, некоторые специалисты, тем не менее, считают лучшим выходом вообще отказаться от подготовки таких дипломированных специалистов в системе ДО в настоящее время, так как полномасштабную практику студентам ДО сейчас обеспечить практически невозможно [76]. Посвященный данной проблематике обзор литературы, представленный автором в статье [47], показал, что источником проблем является диспропорция в развитии отельных технологий ДО. В первую очередь необходимо отметить мощное развитие технологий представления теоретического материала — гипертекстовых систем с мультимедийной «начинкой». Не отстают от них технологии тестирования и контроля. Компоненты учебно-методических комплексов, отвечающие за представление практического материала, развиты значительно слабее.
Можно выделить два типа практической деятельности присущих подготовке естественнонаучных специалистов:
Лабораторный практикум, цели которого - привитие навыков исследовательской работы, углубленное изучение теоретического материала, знакомство с методиками измерения различных величин, изучение приборов, обучение сборке электрических схем и т.д.
Практические занятия по решению задач, от математических до практических. Их цель - «набить руку» в сборке электронных схем, машинописи, интегрировании и т.д.
Разработке компьютерных лабораторных практикумов посвящено подавляющее количество публикаций, относящихся к проблематике инженерного ДО. Второй тип виртуальных практических занятий - интерактивные компьютерные тренажеры (ИКТ) - освещен в литературе слабо, несмотря на то, что этот тип занятий присутствуют практически во всех современных источниках как одна из основных компонент электронных учебников по естественнонаучным дисциплинам [27, 76]. Основным фактором отставания развития ИКТ как одной из технологий ДО является отсутствие формализованного описания, модели ИКТ и развитых стандартов их реализации, и как следствие, отсутствие средств автоматизированной разработки.
Таким образом, актуальность исследования обусловлена:
Бурным развитием, которое переживает сфера электронного образования в настоящее время;
Отсутствием развитых (недекларативных) стандартов и требований к компьютерным тренажерным программам;
Отсутствие формализованного описания (математической модели) ИКТ в достаточной для программной реализации степени;
Большим объемом имеющейся пассивной информации (бумажных учебников по математическим дисциплинам), которую необходимо перевести в активную, электронную, форму;
Наличием компьютерных тренажерных программ в образовательном процессе в количестве, недостаточном для современного уровня развития информационных технологий в целом;
Высокими требованиями, предъявляемыми к готовым компьютерным тренажерным программам;
Трудностью создания без вспомогательных средств обучающих программ, удовлетворяющих выдвинутым обществом требованиям;
8. Необходимостью создания практической и теоретической базы, которая бы обеспечила возможность создания средств автоматизированной разработки ИКТ.
Объектом исследования являются интерактивные математические компьютерные тренажеры как компоненты электронного учебника для усвоения практического материала учебного курса.
Предметом исследования являются инструментальные средства, предназначенные для автоматизации разработки интерактивных математических компьютерных тренажеров.
Целью данной работы является исследование возможностей автоматизации разработки ИКТ, создание формализованного описания (математической модели) ИКТ и инструментария для эффективной разработки интерактивных компьютерных тренажеров по математическим дисциплинам.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Определить современные требования к ИКТ;
Разработать концепции функционирования и структуру ИКТ;
Предложить математическую модель ИКТ;
Выявить требования к инструментальным средствам разработки ИКТ на основе созданной модели;
Реализовать необходимые для программного воплощения модели инструментальные средства и компоненты ИКТ;
Апробировать математическую модель при создании комплекса ИКТ по высшей математике.
Методы исследования вытекают из поставленных задач. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа и теории автоматов. Были рассмотрены приведенные в литературе данные, относящиеся к исследованию. При программной реализации полученных концепций, использовались:
методы теории алгоритмов и языков программирования;
методы объектно-ориентированного программирования и технология СОМ;
методы математического моделирования и визуализации, опирающиеся на методы вычислительной математики и технологию GPGPU (General Processing on Graphical Processing Unit) - обработка данных (в том числе и не графических) на графических процессорах.
Научную новизну представляют следующие результаты:
Применение детерминированного автомата в качестве модели представления работы алгоритмов решений различных математических задач в рамках ИКТ.
Оригинальный алгоритм сравнения математических выражений, заданных в аналитической форме, отличающийся простотой реализации.
Способ ввода и анализа математических выражений с помощью редактора формул Formulator, отличающийся тем, что он предоставляет разработчику широкие возможности по анализу математических выражений, вводимых пользователем в естественном виде.
Оригинальный метод построения линий уровня и градиентного отображения карты высот, основанный на аппаратных возможностях современных GPU (графических процессоров).
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель компьютерного тренажера позволяет реализовать алгоритм интерактивного обучения пользователя навыкам решения различных математических задач.
На основе предложенной математической модели возможна автоматизация разработки интерактивных компьютерных тренажеров.
Разработанный способ ввода математических выражений в аналитическом виде с помощью редактора формул Formulator существенно облегчает создание тренажеров по математическим дисциплинам, отве-
чая как высоким требованиям разработчика ИКТ, так и конечного пользователя.
4. Комплекты интерактивных компьютерных тренажеров для мультимедийных учебников «Методы оптимизации» и «Высшая математика II» позволяют пользователю самостоятельно изучать алгоритмы решения математических задач.
Практическая и теоретическая ценность работы. Предложенная математическая модель и реализованный набор инструментальных средств и графических компонент ИКТ представляют теоретическую и практическую базу для создания системы автоматизированной разработки ИКТ по естественнонаучным дисциплинам. Реализовано программное обеспечение, включающее в себя комплекты ИКТ для трех электронных обучающих комплексов (ЭОК) по математическим дисциплинам: «Вычислительная математика», «Методы оптимизации» и «Высшая математика. Интегральное исчисление. Дифференциальные уравнения». На базе предложенных принципов функционирования ИКТ разработаны тренажеры для ЭОК «Английский язык II». Разработанные графические компоненты ИКТ использовались при создании комплекта виртуальных лабораторных работ для ЭОК «Физика».
Концепции разработки ИКТ, 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.
Развитием данной работы будет являться создание системы автоматизированной разработки интерактивных компьютерных тренажеров EduCAD Trainers, которая войдет в состав системы автоматизированной разработки электронных учебников EduCAD.
Достоверность результатов работы подтверждается применением научных основ системного проектирования прикладного программного обеспече-
ния, системного анализа, а также внедренными в учебный процесс ЭОК с комплектами ИКТ по трем естественнонаучным дисциплинам.
Внедрение результатов диссертации. Реализованы комплекты ИКТ для ЭОК по трем математическим дисциплинам: «Вычислительная математика», «Методы оптимизации», «Высшая математика И. Интегральное исчисление и дифференциальные уравнения». Все перечисленные ЭОК внедрены в образовательный процесс Томского межвузовского центра дистанционного образования (ТМЦДО). К разработанным обучающим курсам выпущены методические пособия. Предложенная математическая модель, инструментальные средства и библиотека графических компонент ИКТ активно используются, являясь внутренним стандартом de-facto, в лаборатории «Мультимедиа» ТУСУР.
Апробация работы и публикации. Методика исследования обсуждалась на заседаниях семинара кафедры АСУ ТУСУР «Автоматизированные системы в учебном процессе» в 2001 году, семинарах СКБ «Система» в 2002-2003 гг., и научных семинарах лаборатории «Мультимедиа» в 2004-2005 гг.
По теме диссертации опубликовано 24работ, в том числе:
5 статей, среди которых 3 в центральной печати;
4 учебно-методических пособия (в том числе к ЭОК по дисциплинам «Вычислительная математика» и «Методы оптимизации»);
материалы 15 докладов на конференциях;
материалы автора вошли в монографию [49].
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
региональной научно-технической конференции «Радиотехнические и информационные системы и устройства». Томск, ТУСУР, 2000 г.;
7-й международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-7-2001). Барнаул, 2001 г.;
межрегиональной научно-технической конференции «Научная сессия ТУСУР». Томск, ТУСУР, 2002 г.;
международной научно-технической конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине». Волгоград, 2002 г.;
XI международной научно-методическая конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании». Кемерово, ИДМИ, 2002 г.;
региональной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении». Юрга, 2002 г.;
всероссийской научно-практической конференции-выставке «Единая образовательная информационная среда: проблемы и пути развития». Томск, 2002 г.;
XLI международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс». Новосибирск, НГУ, 2003 г.;
всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении». Юрга, 2003 г.;
международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании». Новосибирск, СибГУТИ, 2003 г.;
X международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Томск,
2004 г.;
конференции «Научная сессия ТУСУР - 2004». Томск, ТУСУР, 2004 г.;
всероссийской научно-методической конференции «Современное образование: ресурсы и технологии инновационного развития». Томск,
2005 г.
Дипломная работа на тему «Интерактивные компьютерные тренажеры для электронного учебника по дисциплине «Методы оптимизации», 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 2002 году.
Доклады автора на XLI международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, НГУ, 2003 г.) и конференции «Научная сессия ТУСУР - 2004» отмечены дипломами первой степени.
Материалы работы были представлены на открытом конкурсе нефтяной компании «ЮКОС» в 2004 г. в номинации «Аспиранты и молодые ученые» и были оценены именной стипендией автору.
ЭОК «Методы оптимизации» в который входят ИКТ, разработанные автором, занял первое место на конкурсе электронных учебных пособий, проходившем в ТУСУР в 2004 г.
Личный вклад диссертанта. В диссертации приведены только те результаты, в получении которых автору принадлежит основная роль. Постановка задачи, направление исследований, подготовка материалов для печати выполнены совместно с руководителем - Мицелем А.А. Опубликованные работы написаны либо без соавторов, либо в соавторстве с сотрудниками коллектива АСУ ТУСУР по разработке компьютерных учебных пособий (лаборатории «Мультимедиа», до 2004 г. - СКБ «Система»). Автором разработана математическая модель, концепции функционирования, требования к графическим компонентам ИКТ. Автором реализовано подавляющее большинство из графических компонент ИКТ, а так же реализованы ИКТ по дисциплинам «Методы оптимизации» и «Высшая математика. Интегральное исчисление. Дифференциальные уравнения». Личный вклад в разработку учебных пособий:
«Вычислительная математика»: программирование вычислительных алгоритмов для ИКТ, дизайн и наполнение гипертекстового электронного учебника. Дизайн обложки.
«Методы оптимизации»: методология разработки и программирование каркаса ИКТ, функциональное наполнение 12 из 18 тренажеров. Программирование графических компонент ИКТ. Дизайн обложки. Расчет на тренажерах задач для раздела «Курсовое проектирование».
«Высшая математика. Интегральное исчисление. Дифференциальные уравнения»: реализация разработанной модели ИКТ, программирование каркаса 7 из 9 ИКТ и наполнение базы данных параметрических задач к ним (102 из 119). Разработка и реализация способа ввода математических выражений задаваемых в естественном (аналитическом) виде с помощью редактора формул Formulator.
Структура и объем диссертации. Приведенные цели и задачи определяют структуру и содержание исследования. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и двух приложений. Общий объем диссертации - 158 страниц, в том числе 38 рисунков на 27 страницах, 3 таблицы и листинга на 3 страницах.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, профессору кафедры АСУ ТУСУР, д.т.н. Мицелю А.А. за руководство, понимание и терпение, проявленные по отношению к автору в процессе его работы над диссертацией.
Так же автор выражает благодарность коллективу кафедры АСУ за знания, полученные во время обучения в качестве студента и целеполагающие факторы, сформировавшиеся в результате обучения и общения с коллективом кафедры.
Автор благодарит всех студентов и аспирантов коллектива лаборатории «Мультимедиа», за поддержку и понимание, предлагаемые ими новые идеи и подходы, питавшие интеллект автора, а так же за помощь в реализации этих идей.
Автор признателен своим друзьям и коллегам — Тепляшину А.Д. и Устинову А.В. за моральную, техническую и интеллектуальную поддержку.
Особенную благодарность автор выражает доценту каф. АСУ ТУСУР, к.т.н. Романенко В.В., который, будучи идеологом создания комплекса автоматизированной разработки электронных учебников, потратил немало сил и своего времени на консультации автора.