Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование и анализ инструментальных средств поддержки дистанционного обучения 8
1.1. Анализ инструментальных средств поддержки полномасштабного процесса обучения; реализуемого по дистанционной технологии обучения 8
1.2. Постановка задачи диссертационной работы 24
1.3. Выводы по Главе 1. 25
Глава 2. Системное моделирование ИСАУП 27
2.1. Определение и описание основных процессов управления обучением в вузе (первый уровень модели) 28
2.1.1 Анализ методик формализованного представления предметной области и программной системы 28
2.1.2. Иерархическая структура функциональных.процессов предметной области 31
2.2 Математическое описание моделей основных процессов обучения (второй уровень модели) 50
2.2.1. Математическое описание генерации индивидуальной программы обучения текущего семестра на основе теории множеств 50
2.2.2 Математическое описание определения индивидуальной траектории бучения по дисциплине с использованием теории графов 54
2.2:3 Математическое описание модели процесса принятия решения о дальнейшем ходе обучения с помощью теории конечных автоматов 58
2.3. Системные модели ИСАУП (третий уровень модели). 61
2.3.1. Моделирование поведения ИСАУП на основе диаграммы прецедентов 62
2.3.2. Информационно- логическая модель ИСАУП 66
2.3.3: Моделирование поведения данных системы на основе диаграмм взаимодействий 70
2.4. Выводы по Главе 2 76
Глава 3. Исследование и разработка архитектуры ИСАУП 77
3.1. Исследование архитектуры информационных систем 77
3.2. Технологии передачи и обработки данных 80
3.2.1. CGI интерфейс по передаче данных 81
3.2.2. Обработка данных на стороне сервера с использование сервлетов 84
3.2.3. Обработка данных на стороне клиента 86
3.3. Анализ и выбор языка программирования для разработки Web приложения 87
3.4. Анализ и выбор Web сервера 90
3.5. Анализ и выбор системы управления базой данных (СУБД) 91
3.6. Архитектура ИСАУП 97
3.7. Программная реализация ИСАУП 100
3.7.1. Генерация схемы БД 100
3.7.2. Генерация программного кода 101
3.8. Выводы по Главе 3 103
Глава 4. Методика создания инструментальных средств для поддержки администрирования учебного процесса 105
4.1. Этапы разработки ИСАУП 105
4.2. Методика создания инструментальных средств для поддержки администрирования учебного процесса, реализуемого по дистанционной технологии 107
4.3 .Выводы по Главе 4 115
Заключение 117
Список источников 119
Приложения 126
- Анализ инструментальных средств поддержки полномасштабного процесса обучения; реализуемого по дистанционной технологии обучения
- Иерархическая структура функциональных.процессов предметной области
- Анализ и выбор языка программирования для разработки Web приложения
- Методика создания инструментальных средств для поддержки администрирования учебного процесса, реализуемого по дистанционной технологии
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее;время вопросы,использованияї информационных и телекоммуникационных технологий і в учебном процессе являются приоритетными.
В федеральной целевой программе "Развитие единой информационной образовательной? среды (2001-2005 годы)" определена задача: применение; новых информационных и телекоммуникационных технологий, в; учебном: процессе. Данная* программа предусматривает развитие новых образовательных технологий; в том; числе интерактивных дистанционных технологий! обучения; по программам различных уровней; Реализация» данного направления программы: предусматривает разработку программных комплексов поддержки и развития учебного процесса.
Кроме этого, в ряде Российских вузов наряду с традиционными* технологиями обучения быстро развивается: дистанционная; технология; которая осуществляется на основании методики применения дистанционных образовательных технологий в учреждениях высшего, среднего и дополнительного профессионального образования, утвержденная приказом? Министерства образования РФ от 18:12.2002, №4452:
Особенностью дистанционной технологии обучения является широкое использование достижений информационных технологий, обеспечивающих индивидуализацию процесса; обучения, который; распределен как по> времени, так и в пространстве. С помощью современных телекоммуникационных средств обеспечивается интерактивное взаимодействие всех участников; образовательного процесса. Реализация удаленного процесса обучения» осуществляется с помощью современных автоматизированных; комплексов поддержки удаленного5 обучения. Для поддержки дистанционного обучения?распространение получили оболочки: Learning Space, WebGT, первая< отечественная сертифицированная система;
ОРОКС (оболочка для создания распределенных обучающих и контролирующих; систем^ сертификат соответствия СТУ 115.005-2000 (РОСИНФОСЕРТ)), которая используется»в более чем 20 вузах России, а также системы Аванта, Прометей, eLeaming Server 3000, xDLS. В процессе эксплуатации оболочек в течении 5 лет остро встали вопросы* автоматизации; администрирования, поддержки управлениям и принятия решений.
Работа выполнена; в соответствии с основными направлениями; научной; деятельности Московского государственного института электронной техники: "Информационные технологии и телекоммуникации", "Исследования по проблемам общего и профессионального образования".
Цель работы и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является разработка информационной среды администратора учебногоt процесса; (ИСАУП), реализуемого по дистанционной технологии.
Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:
Исследование структуры и і определение задач основных процессов организации и управления обучением в вузе.
Исследование способов и методов формализованного представления ИЄАУП.
3: Разработка системных моделей программного комплекса ИСАУП. 4: Исследование и разработка архитектуры ИСАУП;
Исследование; и обоснование выбора; программных средств и системы управления базой данных для практической реализации ИСАУП.
Разработка^ программного комплекса ИСАУП и обеспечение его взаимодействия с сетевой программной оболочкой ОРОКС.
Разработка методики создания инструментальных средств поддержки процесса обучения, реализуемого по дистанционной технологии.
Методы исследований:
Для достижения поставленной цели и решения задач использовались методы структурного анализа, методология объектно-ориентированного анализа и проектирования, теории множеств, конечных автоматов, графов, баз данных.
Научная новизна.
Предложена системная модель программного комплекса ИСАУП, разработанная по объектно-ориентированной методологии.
Дано математическое описание модели процесса обучения на основе учебного плана с введением вектора связанности дисциплин и вектора оценок обучаемого.
Предложена инженерная методика создания инструментальных средств поддержки работы администратора учебного процесса
Результаты выносимые на защиту
Системные модели ИСАУП.
Математическое описание учебного плана, дисциплины, принятия решения о дальнейшем ходе обучения.
Программный комплекс информационной среды, разработанный на основе системных и математических моделей.
4. Инженерная методика создания инструментальных средств
поддержки работы администратора учебного процесса.
Реализация результатов работы:
Результаты работы внедрены в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) на факультете дополнительного и дистанционного обучения;
Академии повышения квалификации и переподготовки работников образования
Практическая значимость.
Разработана методика создания инструментальных средств поддержки системы обучения, реализуемого по дистанционной технологии
Разработано программное обеспечение. "Информационная среда администратора учебного процесса" - ИСАУП.
Процесс организации и управления обучением по дистанционной технологии в МИЭТ осуществляется в ИСАУП.
Анализ инструментальных средств поддержки полномасштабного процесса обучения; реализуемого по дистанционной технологии обучения
В последнее; время все большее внимание уделяется использованию новых информационных технологий; в; учебном процессе. Этому свидетельствуют и правительственные программы по открытому образованию и ФЦП "Развитие единой образовательной информационной среды (2001-2005 годы)" [66] Одной: из задач ФЦП является; "разработка электронных средств информационно-технологической поддержки и развития учебного процесса", а основным направлением - "организация системы открытого1 образования; включая интерактивные дистанционные технологии обучения учащихся учебных заведений различного уровня".
Под дистанционной технологией обучения понимается использование новых информационных технологий по І доставке учебного материала-обучаемому, организации- и управлению учебным процессом и І по взаимодействию всех участников процесса обучения, которые.отдалены друг от друга» в і пространстве и.? во времени [53,63,70]; Реализовать это возможно только с использованием современных программно-аппаратных; средств поддержкш дистанционного обучения? [2,17,21,55]. Ві настоящее времяї на различных этапах обеспечения; процесса дистанционного обучения могут быть использованы разнородные электронные; средства; Это могут быть специализированные средства- по созданию интерактивного содержания курсов и систем тестирования, средства взаимодействия (электронная почта, чаты, телеконференции), автоматизированные системы поддержки документооборота, а также автоматизированные сетевые средства поддержки учебного процесса (рисі.1).
Автоматизированные средства поддержки учебного процесса (или оболочки), сочетающие в себе средства по созданию обучающих курсов, ведению процесса обучения, управлению учебным процессом и организующие взаимодействие между всеми участниками процесса обучения представляют наибольший интерес для вузов, использующих в качестве одной из технологий обучения - дистанционную технологию. Среди зарубежных средств можно выделить Lerning Space 4.0 (LS) [ 22,76] и WebCT 3.6 [22 79], среди отечественных - это первая сертифицированная программная оболочка ОРОКС (оболочка для создания обучающих и контролирующих систем)[25,81], Прометей 2.0 [22,77], системы Аванта [80], eLerning Server 3000 (eLS3000) [75], xDLS [79]:
По функциональным возможностям системы похожи [26]. Они позволяют создавать обучающие ресурсы, проводить обучение, управлять образовательным процессом, осуществлять интерактивную связь со всеми пользователями системы и выполнять администрирование самой системы. Категории пользователей
Среди пользователей систем можно выделить четыре основные категории: администратора! системы, автора учебного ресурса, преподавателя, сопровождающего учебный процесс и обучаемого - студента (табл. 1.1). Система: Прометей имеет дополнительную категорию пользователей - организатор, которому предоставляются дополнительные возможности по решению организационных вопросов, связанных с обучением. В системе eLS3000 общее администрирование учебного процесса возложено на пользователя с правами категории "Деканат". В WebCT, ОРОКС и xDLS автором при создании курса может быть преподаватель или администратор системы. В дополнение к имеющимся категориям пользователей системы LS и ОРОКС позволяют создавать новые категории, права для которых выбираются из общего перечня прав всех категорий. Кроме этого, в системе LS категории объединяются в группы, а пользователю системы может быть присвоено несколько категорий. При этом пользователь будет обладать правами всех этих категорий;
В системах для каждой категории- пользователей определен набор; функциональных возможностей (или прав категорий пользователей). Совокупность функциональных возможностей, реализованная с помощью программно-аппаратных средств, определяет информационную среду для каждой категории пользователей. Таким образом, можно говорить об информационной среде обучаемого, автора курсов, преподавателя, администратора системы.
Иерархическая структура функциональных.процессов предметной области
Обе методологии поддерживаются инструментальными средствами проектирования [3,48 58,71]. Наглядно представить системные модели при структурном моделировании позволяют функциональные диаграммы SADT (Structured Analylysis and Design Technique - метод структурного анализа и проектирования), диаграммы потоков; данных DFD (Data Flow Diagrams) и диаграммы "сущность-связь" для моделирования структуры данных ERD (Enity Relationship Diagrams). Диаграммы SADT описывают производимые действия в. системе и связи между ними. Диаграммы DFD описывают взаимосвязь функциональных процессов с потоками данных. Диаграммы ERD описывают структуру проектируемой базы данных. Диаграммы SADT и DFD строятся в инструментальных средствах пакета BPwin [71], ERD проектируются в пакете ERWIN[71]. Статические (ERD) и динамические (SADT, DFD) модели не связаны между собой.
Основная область применения диаграмм SADT [71] - это моделирование бизнес - процессов предприятия. Модели позволяют определить "узкие" места ві управлении предприятием и провести его реинжиниринг. Анализ моделей SADT проводится с целью повышения эффективности управления предприятием и не всегда заканчивается разработкой программного обеспечения для автоматизации работы предприятия.
DFD диаграммы позволяют отобразить функциональные процессы, протекающие в, предметной области, которые связаны между собой потоками данных. DFD диаграммы, так же как и диаграммы SADT, позволяют получить декомпозицию процессов предметной области на элементарные функции и определить набор данных, необходимых для хранения информации, что является исходной информацией? для проектирования БД программной системы.
Наглядное- представление объектно-ориентировных моделей, обычно выполняется на языке моделирования UML с помощью инструментального средства- Rational Rose [3]ї Все проектируемые модели строятся в едином1 инструментарии, который обеспечивает связь статических моделей с динамическими, а также, при изменении программного кода системы, имеется возможность автоматического изменения моделей,- что облегчает процесс разработки программного комплекса. Язык моделирования UML позволяет проектировать структуру реляционной БД программной!системы [46,52], а так же динамику поведения данных. На языке UML в среде Rational Rose имеется возможность наряду с таблицами БД отобразить способы работы с данными.
Данные возможности позволяют использовать язык моделирования UML не только для проектирования программных систем, которые будут реализованы объектно-ориентированными языками программирования или в объектно-ориентированных БД, но и для систем, которые разрабатываются с помощью языков программирования, которые не поддерживают объектно-ориентированное программирование.
При выборе методологии системного моделирования ИСАУП были учтены следующие положения: - методология должна позволять проводить декомпозицию основных процессов предметной области на функциональные задачи для определения требований; предъявляемых к системе; - ИСАУП предполагает хранение и изменение данных о пользователях системы, электронных учебных планах, учебно-методических комплексах, а также необходимо проводить анализ динамически меняющихся результатов обучения, на основе которого осуществляется принятие решение о дальнейшем ходе обучения, что является основой управления учебного процесса. Данная особенность информационной среды предполагает реализацию различного типа запросов к БД. Следовательно, методология должна предусмотреть возможность разработки схемы БД и представления динамики поведения данных системы. ВЫВОДЫ: учитывая достоинства и недостатки двух методологий для построения модели первого уровня, цель которого проведение декомпозиции предметной области на функциональные задачи, была выбрана структурная методология и средство представления модели - DFD диаграммы. Язык моделирования UML объектно-ориентированной методологии выбран для; получения схемы БД программной системы и изучения динамики поведения системы и данных. 2.1.2. Иерархическая структура функциональных процессов предметной области Определение функциональных процессов и задач предметной области выполнено с помощью DFD диаграмм. Исходной информацией для декомпозиции послужили: типовое положение высшего учебного заведения [62], инструкции и положения о высшей школе [9] і а также разработанная информационно-организационная схема вуза (рис.2.1.). На информационно-организационнойг схеме отображены структурные подразделения вуза, задействованные в учебном процессе, а циркулирующие потоки информации и; документов изображены в виде направленных дуг. В схему в качестве основного структурного блока введен объект обучения — студент, который не является структурным подразделением, но дает наиболее полное представление о циркулирующих потоках информации и документов в процессе обучения студента в вузе. Информационно-организационная схема вуза позволила определить связи между структурными подразделениями, задействованными в учебном процессе, которые осуществляются посредством обмена документов, обеспечивающих процесс обучения и управления им; Информационно организационная схема позволила определить набор документов, сопровождающих процесс обучения в вузе, а также документы, связанные с подготовкой сценария обучения, а следовательно, влияющие на ход обучения студента, который является объектом управления.
Анализ и выбор языка программирования для разработки Web приложения
На сегодняшний день можно выделить следующие языки программирования Web приложений: Java, Perl,; РНР и C++.
Среди этого набора языков программирования только C++ относится к, языкам компилирующего типа, все остальные языки - это языки; интерпретирующего типа: Язык РНР - это язык написания сценариев - скриптов при этом текст программы полностью помещается внутри HTML документа [59]; Язык РНР в основном предназначен для написания небольших сценариев; Языки Perl [38, 56] и Java [20,68] имеют общие характеристики. 1. Являются языками интерпретирующего типа. Особенностью: является то, что перед выполнением программы текст программы проходит компиляцию, в результате которой для программы, написанной на языке Perl осуществляется ее проверка, а в результате компиляции программы, написанной на Java создается байт-код программы для виртуальной машины (интерпретатор Java, компилятор, система времени выполнения), являющейся составным компонентом Java и обслуживающей программы на сервере. 2. Скорость выполнения программ, написанных на языках Java; Perl намного ниже по сравнению с программами на языке C++. Это объясняется тем, что C++ является языком компилирующего типа. 3. Приложения, написанные на языках Java, Perl не зависят от операционных систем, в то время как скомпилированный код программы написанной на C++ зависит от типа операционной системы и типа процессора. 4. Языки Perl и Java по синтаксису очень близки языку C++. 5. Perl и Java, как и C++ имеют достаточно большую библиотеку дополнительных функций. 6; Технология Java Server Pages (JSP) , как и у Perl, PHP, позволяет встраивать код программы в HTML документ. В отличии от Perl Java как и C++ является объектно-ориентированным языком программирования с большим набором дополнительных функций. Java и C++ - это строго типизированные языки программирования. Основное применение языка Perl - это написание программ-сценариев обработки файлов, форм, извлечение, из них информации и передача сообщений пользователям. Это свойство очень важно для разработки сетевых информационных систем. Программы, написанные на языке Perl не ограничены по объему данных и уровням вложенности рекурсий. К достоинствам языка Perl можно отнести тот факт, что интерпретатор Perl является свободно распространяемым программным продуктом в отличии от остальных языков программирования. Все языки позволяют осуществлять доступ к базам данных через WWW и работают в операционных системах Unix, Windows. В результате проведенного анализа в качестве языка программирования ИС АУЛ был выбран язык Perl, который удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к языкам для разработки Web приложений: платформенно-независимость, большой набор дополнительных функций, взаимодействие с базами данных, встраивание кода программы в HTML документ, свободное распространение интерпретатора. 314- Анализ и выбор Web-сервера Основными1 критериями при выборе Web - сервера являются производительность, гибкость и простота в использовании и управлении, поддерживаемые среды разработки Web приложений, свободное распространение. Были проанализированы следующие Web-сервера: iPlanet server бывший Enterprise Server, Internet Information Server 4.0, Apache Server. В работах [13,43]; отмечается, что по производительности эти сервера мало отличаются друг от друга. Сервер Apache поддерживает достаточно большое количество платформ и операционных систем; К достоинствам сервера можно отнести надежность, высокую производительность и огромный набор функций и дополнительных модулей. Эти: достоинства сделали сервер наиболее популярным. По результатам исследования Webcompare (http://webcompare.internet.com) Apache используют около; 60% на рынке Web-серверов. Код сервера открытый, что позволяет оперативно изменять, дополнять функциональность,сервера. К достоинствам сервера относится и его сводное распространение. Сервер Apache способен надежно обслуживать большинство Web-узлов. Неудобством работы с сервером является то, что управление осуществляется через командную строку или конфигурационный файл. Для повышения производительности сервера используются специальные серверные модули: поддержки регистрации пользователей, почтовых MIME сообщений и SSI; CGI сценариев, языков Perl, PHP. Разработчики сервера обеспечивают его техническую поддержку в интерактивном режиме. Сервер Apache поддерживает разработку Web приложений на языках Perl; PHP, C++.
Методика создания инструментальных средств для поддержки администрирования учебного процесса, реализуемого по дистанционной технологии
Создание ИСАУП определило следующую последовательность этапов разработки: 1. Моделирование основных процессов предметной области -управления обучением. 1.1. Построение информационно-организационной схемы с введением в качестве структурного элемента - объекта обучения-студента. 1.2.Построение иерархической структуры функциональных задач ИСАУП на основании проведенной декомпозиции основных процессов предметной области с помощью DFD диаграмм структурного анализа. Определение требований, предъявляемых к ИСАУП. Выделенные основные процессы и задачи предметной области, а также сформулированные требования к ИСАУП используются: - для организации диаграммы прецедентов по пакетам (п.3.1. данного перечня), - при выявления прецедентов (п.3.1.), - при разработке информационно-логической структуры данных (п.3.2.). 2. Разработка второго уровня модели. Математическое описание основных компонентов процесса обучения - обучение на основе учебного плана, обучение по дисциплине и принятие решения о дальнейшем ходе обучения. 3. Системное моделирование программного комплекса ИСАУП I. Представление ИСАУП на языке UML объектно-ориентированной методологии. 3.1. Разработка диаграммы прецедентов, включающая определение вариантов использования ИСАУП и составление расширенного описания прецедентов. Расширенное описание прецедентов используется на этапе 3.3. для проверки соответствия разработанной схемы БД требованиям к ИСАУП, определенным на этапе 1.2. 3.2.Разработка информационно-логической структуры базы данных с помощью диаграммы классов. 3.3.Проверка соответствия разработанной схемы БД требованиям, предъявляемым к ИСАУП (п. 1.2), и разработка карт транзакций на основе кооперативных диаграмм. //. Программная реализация 3.4.Разработка архитектуры программной системы 3.4.1. Выбор языка программирования 3.4.2. Выбор web-сервера 3.4.3. Выбор сервера СУБД. 3.4.4. Представление архитектуры ИСАУП. 3.5.Кодирование и отладка информационной среды. 3.5.1. Генерация схемы БД 3.5.2. Генерация программного кода 3.5.3. Уточнение серверной части ИСАУП 3.6. Тестирование. 3.7.Апробация и внедрение. Данная последовательность представлена на общей схеме на рис.4.1. Отличие последовательности этапов разработки ИСАУП от традиционной технологии разработки программного обеспечения заключается в следующем: 107 1. Введением в информационно-организационную схему в качестве структурного компонента - объекта обучения - студента, что позволяет на этапе анализа определить типы основных потоков информации и документов. Информационно-организационная схема является базой для определения основных процессов и задач системы. 2. Для определения основных процессов и задач ИСАУП использованы диаграммы DFD структурного анализа. 3. Разработка схемы реляционной БД выполнено по объектно-ориентированной методологии на языке моделирования UML. 4. Использование кооперативных диаграмм для проверки соответствия схемы БД функциональным требованиям к ИСАУП, выявленных при построении модели первого уровня (п. 1.2.), и разработке карт транзакций с использованием сообщений, отображаемых на кооперативных диаграммах. 5. Предложен способ генерации конструкций СУБД My SQL с помощью конструкций Oracle среды Rational Rose. 4.2. Методика создания инструментальных средств для поддержки администрирования учебного процесса, реализуемого по дистанционной технологии В соответствии с этапами разработки инструментальных средств поддержки процесса обучения реализуемого по дистанционной технологии методика создания этих средств включает следующий комплекс работ.
Похожие диссертации на Информационная среда администратора учебного процесса, реализуемого по дистанционной технологии
