Автоматизация проектирования обучающих систем на основе объектно-контейнерного подхода

Современные образовательные технологии требуют значительной интенсификации процесса обучения, заключающейся в увеличении доли самостоятельной работы учащихся. Использование учебно-методической литературы не позволяет в полном объеме решать указанные задачи, поэтому в учебном процессе все шире начинают применяться средства автоматизированного обучения. Эти системы обеспечивают подачу учащемуся изучаемого материала на качественно новом уровне и способствуют оперативному его закреплению или проверке полученных знаний путем проведения опросов, например, в форме тестов. 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) [1,2,5,29,37,51,87,99,100], представляющие собой интегрированные программные системы для обучения и контроля знаний учащихся.

Однако, несмотря на огромный спрос на АОС, наблюдается устойчивая тенденция, когда большинство из них не удовлетворяют запросам пользователей по своим функциональным возможностям и качественным характеристикам. Можно выделить следующие причины такого положения (рис 1):

• 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;

Причины неудовлетворительного состояния рынка автоматированных обучающих систем.

Разное понимание проблемы пользователем и разработчиком АОС.

Увеличение сроков разработки АОС из-за отсутствия стандартных методов проектирования.

Остсутствие методики автоматизации проектирования АОС.

Рис 1 Причины неудовлетворительного состояния рынка АОС.

• отсутствие стандартных приемов проектирования АОС, влекущее за собой неоправданное увеличение сроков их разработки;

• отсутствие методики автоматизации проектирования АОС, снижающее производительность разработчиков и требующее сосредоточения их внимания на программной стороне задачи вместо ее информационного наполнения.

Анализ этапов развития АОС показывает, что решение отмеченной проблемы их совершенствования целесообразно осуществлять в следующих направлениях.

Проектирование большинства программных систем производится на основе общеизвестных методов структурного подхода к проектированию, которые рассматривают АОС как сложную многосвязную систему с большим числом разнородных объектов [25, 28, 106], основанную на принципах иерархичности и произвольности уровня абстракции, рассмотренных Куртуа Р. 118].

Основные положения этого подхода рассмотрены в работах Лингера Р [52], Фокса Дж [97], Брукса Ф. П [13,115]., Горбатова В. А [22,23,24]., Логиновского О. В [50], Чапцова Р. П. 50,59,62]. и других авторов.

Структурный подход позволяет достаточно эффективно проектировать сложные программные системы, однако, он имеет существенные недостатки, которые ограничивают сферу его применения в современной индустрии программного обеспечения. К их числу 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.

Для преодоления указанных недостатков структурного проектирования широкое распространение получили методы объектно-ориентированного подхода (ООП), основы которого рассмотрены в работах Г. Буча [15], М. Джексона, [121,122], К. Орра, [125], Б. Страуструпа [90,111], П. Ирэ [32], С. С. Гайсаряна [18] и др. Здесь показано, что объектно-ориентированный подход является методологией проектирования, соединяющей процесс объектной декомпозиции и приемы представления логической, физической, статической и динамической моделей проектируемой системы [15]. Этот подход опирается на понятие объекта, которое впервые было использовано при создании архитектур, основанных на описаниях и реализациях. В данных работах делались попытки отойти от традиционной архитектуры и преодолеть барьер между высоким уровнем программных абстракций и низким уровнем абстрагирования в области ЭВМ. На этой базе был создан ряд компьютеров, таких как СашЬп§ е САР,.

SWARD, Intel 432 и др., которые имеют объектно-ориентированную архитектуру [15].

Наиболее распространенные из методов ООП, такие как ОМТ, UML, Буча, «Коуда-Йордана» [15,38,128] рассматривают программную систему в терминах той предметной области, на которую она ориентированна, а возможность создания на базе существующей АОС более совершенной, является одним из принципов указанного подхода.

Развитие ООП обусловлено прогрессом в области архитектуры ЭВМ, языков и методологии программирования, включая принципы модульности и защиты информации.

В настоящее время современные средства разработки программного обеспечения [26,56,72] значительно расширили возможности использования объектно-ориентированного подхода. В частности, стало реальным фактом разрабатывать событийно-ориентированные программы, работа которых представляет собой цепочку реакций на те или иные действия пользователя или другого объекта задачи.

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. Наиболее известные методы 3-View Modeling или методы лингвистического анализа, например, Phrase Frequency Analysis и Matrix Analysis [118], не всегда адекватны предметной области или неоправданно усложнены;

• 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 проектирования и реализации указанных программных систем необходимо наличие иного подхода 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 глубоких знаний основ программирования и позволяют создавать на основе описания модели требуемого объекта проектирования достаточно эффективные программные системы. Основная функция САПР — выполнение автоматизированного проектирования на всех или отдельных стадиях проектирования объектов и их составных частей. Проблема создания и использования САПР являлась предметом исследований Братищева Д. И. 113], Буркова В. Н. [12], Вермишева Ю. Х [17] Глушкова В. М[20]., Казеннова Г. Г. [39], Норенкова И. П. 64,69], Петренко А. Щ71], Прохорова А. Ф. [74], Самойлова Д. С. [87], ЧапцоваР. П [59, 106] и ДР.

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 автоматизации проектирования обучающих систем с использованием принципов объектно-ориентированного проектирования. (рис. 2.).

Схема исследования.

Цель: Разработка методики автоматизации проектирования автоматизированных обучающих систем.

Анализ АОС как прикладной системы.

Анализ АОС как сложной системы в виде объектов и отношений между ними.

Получение множества моделей АОС на основе объектно-ориентированного подхода.

Разработка типовых моделей АОС.

Разработка методологии автоматизации проектирования АОС.

Рис 2 Схема исследования.

Основная идея работы заключается в объединение преимуществ структурного и объектно-ориентированного подходов к проектированию, получение на их базе принципиально новой методики, позволяющей создавать взаимозаменяемые части программной системы.

Указанная цель работы определила следующие задачи исследований:

• анализ АОС как прикладной системы;

• анализ АОС как сложной системы в виде объектов и отношений между ними;

• получение множества моделей АОС на основе объектно-ориентированного подхода;

• разработка типовых моделей АОС;

• разработка методологии автоматизации проектирования АОС;

• реализация предложенной методики автоматизации проектирования АОС.

В диссертационной работе решение задачи автоматизированного проектирования АОС основано на следующих принципах, выносимых автором в качестве защищаемых положений:

• неадекватность объектно-структурных методов необходимому уровню абстракции при проектировании АОС;

• новый уровень абстракции — контейнер, позволяющий формально определять правила построения контейнерной модели автоматизированной обучающей системы;

• использование контейнеров как объединения преимуществ объектного и структурного подходов позволяет построить эффективные методы автоматизированного проектирования АОС.

При решении поставленных в диссертационной работе задач использованы математические модели объектов, составляющих предметную область АОС, базирующиеся на теории множеств [44,46,109].

Основные положения диссертации отражены в 8 публикациях [60,61,62,63,64,101,102,204] и подтверждены свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ [103].

Диссертационная работа обобщает результаты исследований, проводившихся при непосредственном участии автора, по следующим целевых программам Министерства Образования России:

• «Информационные технологии в образовании и науке» (Приказ № 1273 от 30.12.94);

• «Учебная техника» (Указание от 16.01.98 № 33−18. Приказ № 580 от 5.03.99).

Основные положения и результаты, полученные в диссертационной работе, доложены и обсуждены на Всероссийском методическом семинаре «Компьютерные технологии в образовании» (г. Челябинск, 1995 г.), на.

Всероссийской научно-методической конференции «Новые информационные технологии и учебная техника» (Челябинск, 1995 г.), на Всероссийской научно-методической конференции «ТЕЛЕМАТИКА '97» (Санкт-Петербург, 1997 г.), на межрегиональном научно-практическом семинаре «Информатизация органов управления регионального и муниципального уровней» (г. Челябинск, 1998 г.), на межрегиональной научно-методической конференции «Проблемы и перспективы высшего профессионального образования в Уральском регионе» (Челябинск 1999 г.). Практические результаты экспонировались на всероссийской выставке «ЛЕНЭСКПО» (Санкт-Петербург, 1997 г.).

Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при разработке и реализации следующих программных систем:

• контрольно-тестирующего комплекса «Teach Wizard» 98™" ;

• имитационной обучающей программы «Эмулятор Internet»;

• обучающего курса «Деньги» для студентов экономического профиля.

Кроме того, разработанная методика проектирования АОС используется в учебном процессе по специальности 22 100 «Электронные вычислительные машины, системы и сети», а также послужила основой формирования общеуниверситетской программы внедрения АОС в учебный процесс Южно-Уральского государственного университета.

Выводы.

1. Показано, что объектно-контейнерный подход является самостоятельным подходом в проектировании автоматизированных обучающих систем, что доказано на основе впервые созданного программного комплекса управления учебным процессом «Teach Wizard «98™», внедренного в учебном процессе кафедры ЭВМ ЮУрГУ и на Челябинской междугородной телефонной станции.

2. Объектно-контейнерный подход целесообразно также использовать в качестве средства для разработки технологий автоматизированного проектирования обучающих систем, что было доказано созданием на кафедре ЭВМ ЮУрГУ обучающего курса «Деньги» на базе Web-технологий для студентов экономических специальностей.

3. Показано, что методы автоматизации проектирования АОС можно применять для обучающих систем любого класса, что доказывается созданной автором имитационной обучающей системой «Эмулятор Internet».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные в диссертационной работе исследования образуют теоретическую и практическую основу решения задачи автоматизированного проектирования обучающих систем и позволяют сформулировать основные выводы и получить конкретные результаты:

1. Показано, что потребности рынка автоматизированных обучающих систем не удовлетворяются существующими методами автоматизации проектирования на основе структурного и объектно-ориентированных подходов, так как структурное проектирование не оперирует терминами предметной области и затрудняет эволюцию программной системы, а объектно-ориентированный подход имеет слишком низкий уровень абстракции, требующий от проектировщика разработки практически всех аспектов функционирования АОС.

2. Для разработки методики автоматизации проектирования математически формализованы основные принципы объектно-ориентированного подхода к проектированию АОС. В частности, определены типы отношений между объектами, которые являются основой для комплексного подхода к проектированию АОС.

3. Сформулированы основные положения, определяющие объектно-контейнерный подход как последовательность модельных преобразований, при которых целевая модель АОС преобразуется в контейнерную и системную модели, определяющие функции АОС и ее управляющий алгоритм. Доказано, что эффективность контейнерной модели определяется минимальным и достаточным числом интерфейсов контейнера, а также показаны дополнительные условия включения объекта в контейнер.

4. Впервые разработана методика автоматизации проектирования обучающих систем, заключающаяся в следующем:

• обучающая система представляется в виде набора стандартных контейнеров;

• урок представляется двудольным графом, где каждая вершина есть объект со своим набором атрибутов и операций;

• проектирование обучающей системы ведется путем построения двудольного графа модели урока и выбора вида управляющего алгоритма.

5. На основе компонентной архитектуры «Component Object Model» операционных систем фирмы Microsoft предложен и практически реализован метод взаимодействия контейнеров и объектов автоматизированной обучающей системы.

6. На основе предложенного объектно-контейнерного подхода впервые разработаны и внедрены в практику учебного процесса следующие программные системы:

• Программный комплекс управления учебным процессом «Teach Wizard '98»;

• Имитационная обучающая система «Эмулятор Internet»;

• Обучающий курс «Деньги» для студентов экономических.