Математические модели и технологии создания сетевых интерактивных ресурсов для систем дистанционного обучения

В последнее время все большее внимание уделяется дополнению системы традиционного образования последними достижениями 1 Т индустрии. Глобальная компьютеризация школ, колледжей и высших учебных заведений способствует широкому распространению электронных средств обучения и стимулирует, соответственно, рост уровня предлагаемых разработок. Использование современных технологий в обучении способно, во-первых, повысить уровень квалификации и творческую активность учителя, а во-вторых, дать учащимся возможность самостоятельно изучать тот или иной предмет. Основным фактором, влияющим на активное развитие данного сектора обучения, является возрастающий интерес к компьютеризации со стороны правительства РФ. Примерно год назад были объявлены несколько конкурсов на разработку электронных средств учебного назначения и коллектив разработчиков компании ФИЗИКОН 1 принимает самое активное участие в разработке и внедрении новых технологий для выполнения данных заказов.

Новые технологии [1] в образовании позволяют оптимизировать и расширить спектр уже существующих методик обучения за счет:

• индивидуализации обучения и возможности построения учебного цикла для каждого конкретного учащегося;

• использования таких дополнительных возможностей, как: электронный учебник, графика, видеои аудиофрагменты, что позволяет визуализировать отдельные реальные ситуации, скрытые процессы и объекты;

1 Российская компания ФИЗИКОН (ООО «ФИЗИКОН») была основана в 1992 году группой энтузиастов-профессионалов в области компьютерного моделирования и образования из Московского физико-технического института.

Первым программным продуктом компания стал компьютерный курс «Физика в картинках», разработанный под руководством Козела С. М. — главного научного консультанта компании ФИЗИКОН, заслуженного деятеля науки РФ, д.ф.-м.н., профессора МФТИ.

С 1997 года стала разрабатываться линия учебных компьютерных курсов: «Открытая Физика» и «Открытая Математика». В 1999;2001 на основе языка XML и Java/JavaScript специально для разработки интерактивных курсов была создана первая версия системы CourseML: первые продукты, разработанные в этой системе -«Открытая Астрономия» и «Открытая Химия».

Интернет-портал «Открытый Колледж», разработка которого была начата в 1999 году, объединил как курсы компании, выпускаемые на компакт-дисках, так и Интернет-проекты компании.

В течении последних трех лет проект «Открытый Колледж» входит в пятерку лучших образовательный сайтов России (номинант Национальной Интернет Премии).

• интенсивной подготовки с использованием различных видов тестирующих систем и автоматизированной оценки знаний.

Исследования показывают, что применение в образовании электронных ресурсов, основанных на использовании мультимедиа-технологий, позволяет получить совершенно новый качественный уровень образования и, по существу, изменить процесс передачи и усвоения знаний, навыков и умений.

Следующим шагом развития современных технологий в рамках образовательного процесса является объединение групп учащихся, учителей и специалистов в различных областях посредством сетевых технологий, в первую очередь сети Интернет. Сетевые технологии позволяют учителям работать, с одной стороны, индивидуально, и, с другой стороны, одновременно со всем классом, избегая необъективности и двойного стандарта в оценке знаний учащихся. Кроме того, Интернет-технологии позволяют школьникам и студентам из отдаленных районов страны, где обычно особо остро ощущается недостаток качественного обучения, получать электронные консультации, участвовать в виртуальных экспериментах, проходить удаленно аттестацию и тестирование.

Основные технические понятия.

В связи с тем, что существующие технологии математического моделирования, использованные в данной диссертации, не являются в настоящее время повсеместно распространенными, далее приведены краткие описания основных технологических терминов, используемых в работе [2, 3].

• ActiveX — технология, разработанная компанией Microsoft. Даная технология предназначена для создания сетевых компонентвыполняется на машине пользователя в адресном пространстве Internet Explorer.

• CSS — Cascading Style Sheets (Таблицы Каскадных Стилей) — язык, содержащий набор свойств для описания внешнего вида HTML документов. Использование CSS позволяет стандартизировать внешний вид, уменьшить размеры исходного кода и оптимизировать время, затрачиваемое на создание однообразных элементов на разных страницах. Стили можно применять к отдельным элементам документа, ко всему документу, к группе документов.

• DHTML — Dynamic HTML (динамический HTML), расширение HTML, позволяющее визуализировать графические документы со сложной визуальной структурой.

• DTD — Document Type Definition (определение типов документов). Для описания информационной структуры XML документа применяют DTD, которое хранится в начале файла XML или внешним образом в виде файла *.DTD. DTD перечисляют возможные имена элементов, определяют имеющиеся атрибуты для каждого типа элементов и описывают сочетаемость одних элементов с другими.

• Flash — разработанный Macromedia формат для мультимедийных объектов — анимационных роликов, звукового сопровождения и т. п. Распространяется как подключаемый к браузеру модуль (plug-in). Получил широкое распространение в настоящее время, поскольку позволяет в компактном объеме данных описывать сложные анимации и оперировать векторными объектами. Программа Flash — интегрированная среда для создания интерактивной анимации, созданный ролик может быть сохранен в форматах FLA (иcxoдник), SWF, анимированный GIF, последовательность BMP, исполняемый файл EXE, JPEG, PNG, QuickTime. В новой версии (начиная с версии 3.0) Flash используется Java-подобный язык сценариев ActionScript, есть поддержка XML.

HTML — HyperText Markup Language, язык разметки текста, являющийся в настоящее время основным языком представления информации в Интернет. Java — объектно-ориентированный язык программирования, разработанный компанией Sun Microsystems. Для создания и использования приложениям на языке Java необходимы компиляторы и служебные файлы. Программы, разработанные на JDK (Java Development Kit), могут работать о как автономные прикладные программы, о как апплеты (англ. applet, «маленькое приложение») в HTML страницах, о как Java-servlets — «добавки» к Javaservlet-ready серверам. JavaScript — язык программирования, разработан компанией Netscape. Структура JavaScript и его синтаксис подобна языку Java, но содержит меньший и более простой, немного измененный, набор команд. JavaScript функционален только в виде части HTML страницы (на это указывает и его название «ЯваСценарий»). На JavaScript невозможно разрабатывать автономные прикладные программы. MathML — подмножество XML, применяемое для описания математических формул. RTF (Rich Text Format) — формат хранения текстовых данных.

URL (Uniform Resource Locator) — унифицированный указатель информационного ресурса (обычно имеются в виду Интернет-ресурсы).

XML (Extensible Markup Language — расширяемый язык разметки) — подмножество SGML (Standard Generalized Markup Language) стандартного обобщенного языка разметки. XML — позволяет создавать динамические страницы (вместо использования ActiveX, DHTML), вводить свои элементы описания, позволяет работать со структурированными данными.

XSL (Extensible Stylesheet Language — расширяемый язык таблицы стилей), — язык стилей, применяемый для визуализации XML-документов.

Апплет — (англ. applet, «маленькое приложение») сетевое приложение, написанное на языке Java и выполняемое на клиентском компьютере.

Обозреватель (Browser — программа просмотра) — программа, предназначенная для просмотра web-документов.

Сервлет — сетевое приложение, выполняемое на компьютере-сервере. Локализация — процесс перевода программы на различные языки. Локализация подразумевает не только перевод всех текстов, включенных в программу, но и последующую сборку приложения, выполняемую программистами.

Выход.

Редактор формул.

Рисунок 2. Схема ввода и преобразования формульных элементов в редакторе Ме1аТеХ.

Внешний интерфейс редактора MetaTex:

Редактор формул MetaTeX щ о * «-> в i ц d .а.

Г Г г: IDU Г Г- ¦

I ¡-а ЯП Ща Joo.

UDD Jon Juo Jbo jjno Г0 mu i in #? #? 4>o l l Фо #¦?

В* os.

Рисунок 3. Редактор формул.

Кроме этого, иногда бывает удобнее вводить отдельные простые формулы не с помощью достаточно тяжеловесного визуального редактора, а непосредственно в текстовом формате:

МеиТеХу = Мей{{) со1шпп () (-1. х<0> (0. х=0) (1. х>0) У.

— 1, Х<0.

0.х-О.

1.x >0.

Рисунок. Вверху: пример кода MetaTeX. Внизу: визуализация формулы.

2.2.2. Язык MathML.

При разработке математических моделей и Интернет-технологий стало понятно, что разработанный язык MetaTeX наилучшим образом подходит в первую очередь для Java-приложений и совершенно не приспособлен к работе с различными языками разметки, в том числе и XML.

Для ввода формул в CourseML было решено использовать технологию MathML [20], подмножество языка разметки XML, являющегося языком написания платформы CourseML. Для отображения формул в формате MathML в Интернет-страницах с помощью наиболее распространенных Интернет-обозревателей Internet Explorer и Netscape Navigator, была создана специальная программа, распознающая и конвертирующая текстовое представление формул (MathML) в графический формат (gif, jpg).

Структурно MathML состоит из вложенных тегов, среди которых можно выделить контейнеры (), теги математических конструкций (, и т. п.) и теги стилей (, и т. п.). Полный список MathML тегов приведен в приложении 1. Для примера рассмотрим простейший MathML код и его визуализацию (рис. 4): formula> formula>

Рисунок 4. Визуализация MathML-формулы.

Для использования иллюстративных объектов в системах дистанционного образования одним из важнейших параметров является объем каждого отдельного объекта. В соответствии с этим, был оптимизирован формат отображаемых формул. Было принято решение отображать формулы не в стандартных иллюстративных форматах (gif, jpg), а в векторном виде (swf). Это позволило существенно сократить объем файлов с формулами и существенно повысить качество изображения.

As и =.

Ai.

Ar At.

Сетевой тестирующий комплекс.

2.2.3. Структура тестирующего комплекса.

Сетевой тестирующий комплекс был разработан в течение последнего полугода и предназначен в первую очередь для самостоятельного решения задач и проведения аттестации в локальной сети и в Интернет. Используемые технологии, применяемые при разработке тестирующего комплекса, позволяют применять его в системах ДО, в том числе и в Интернет-портале «Открытый Колледж» .

Сетевой тестирующий комплекс включает в себя следующие блоки [21]:

• блок управления пользователями: добавление новых пользователей, редактирование свойств уже имеющихся пользователей, установка и изменение паролей и ролевых ограничений;

• база данных вопросов и задач: каталогизированное хранение задач, добавление новых и редактирование уже имеющихся задач при помощи визуального редактора в формате СоигееМЬ;

• списки: работа с дополнительными таблицами базы данных (например темы, ключевые слова, авторы, даты создания и т. д.);

• блок контрольных работ: разработка шаблонов для контрольных работ, выбор вопросов и задач для контрольных работ, просмотр и печать вариантов, назначение вариантов ученикам, текущий контроль выполнения контрольных работ, автоматическая и «ручная» проверка решений учеников;

• журнал: просмотр статистической информации по контрольным работам и ученикам с ролевым ограничением прав доступа.

2.2.4. Интерфейс тестирующего комплекса.

Сетевой тестирующий комплекс [21] имеет сложную функциональную структуру и, как следствие, достаточно сложный интерфейс. Тем не менее, при разработке интерфейсы различных страниц сделаны максимально похожими друг на друга для максимального упрощения работы пользователя (рис 5.).

Текущий пользователь: admin admin (admin) Пользователи Класс 1 Группы.

Класс Название X.

8 Восьмой класс Г.

9 Девятый класс п.

10 Десятый класс г.

11 Одиннадцатый класс п.

7 Седьмой класс п.

Рисунок 5. Пример страницы с интерфейсом сетевого тестирующего комплекса.

Большинство страниц тестирующего комплекса состоит из закладок, названия которых можно видеть в верхней части страницы. Перемещение по закладкам осуществляется путем щелканья мышью по имени соответствующей закладки.

В верхней части многих страниц находится панель управления. При нажатии на кнопку с нарисованным на ней знаком «+» загружается страница создания нового объекта данного типа. Кнопка с нарисованной на ней урной удаляет выделенные объекты (выделение производится флажками в последнем столбце таблицычтобы отменить выделение, надо щелкнуть по соответствующему выключателю еще раз). Иногда в заголовке последнего столбца также расположен выключательустановка/снятие флажка в нем приводит к установке/снятию флажка со всех объектов на странице.

Третья кнопка панели управления раскрывает список параметров фильтра, при помощи которого можно вывести на экран только те объекты данной категории, которые интересуют пользователя. Список доступных для изменения полей фильтра для каждой страницы свой. Кнопка «Применить» сохраняет установки фильтра для данной страницы и изменяет эту страницу в соответствии с фильтром.

Одним из наиболее распространенных типов страниц тестирующего комплекса являются списки различных объектов: задач, контрольных, тем, пользователей и т. п. Для удобства навигации эти списки разбиты на группы по несколько объектовколичество объектов можно установить в одном из полей фильтра. Переключение между страницами списка осуществляется при помощи переключателя страниц, расположенного и под панелью инструментов, и в самом низу страницы.

В нижней части страницы, а также в нижней части фильтра иногда используются кнопки. При нажатии на кнопку, запускается какой-либо процесс, описанный в подсказке к кнопке.

2.2.5. Технические требования.

Системный блок: Процессор

• Процессор Intel Celeron с тактовой частотой не менее 633 МГц. Системная плата.

• Должен использоваться базовый набор микросхем производства Intel.

• Поддержка тактовой частоты шины (FSB) 100 МГц. Память.

• Объем ОЗУ не менее 64 Мб. Подсистема дисковой памяти.

• Наличие свободного дискового пространства не менее 100 Мб. Монитор

• Поддержка режима 1024×768.

2.2.6. Архитектура тестирующих систем компонент ДО. 2.2.6.1. Параметры вопросов и задач.

• условие задачи или вопроса;

• решение задачи или правильный ответ на вопрос;

• тематическая группа;

• класс-4.

• тип задания5.

• сложность6.

• трудность7;

• количество попыток, дающихся пользователю для решения задачи и ответа на вопрос-8.

• время, отведенное на решение задания-9.

2.2.6.2. Типы задач и вопросов.

В настоящее время в тестирующем комплексе реализованы следующие типы вопросов и задач:

• Текстовый и численный ввод о ввод символьного ответа-10 о ввод точного численного ответао ввод численного ответа с указанной точностьюо ввод численного ответа из указанного диапазона.

• Формульный ввод11 о ввод формульного ответа для посимвольной проверкио ввод формульного ответа с проверкой возможных перестановоко ввод формульного ответа с проверкой равенства функцийо ввод промежутка значений;

• Задания со свободным ответом.

4 класс, к которому относится задача или вопрос имеет чисто номинальное значение, так как существует множество различных школьных программ по каждому предмету. Допускается, что одна и та же тема изучается в разных школах в различных классах.

5 Типы задач и вопросов будут перечислены в следующем параграфе.

6 В данное время реализовано три уровня сложности задач и вопросов: простой, средний и сложный.

7 Трудность принципиально отличается от сложности. Если сложность устанавливается методистом, то трудностьэто процент учащихся из эталонной группы, правильно решивших задание.

8 Параметр задается методистом.

9 Данный параметр реализован только в некоторых видах задач.

10 Имеется в виду любой ответ, состоящий из символов (в том числе и текст) существуют и другие типы формульного ввода (например ввод формулы для аналитической проверки), но они пока не реализованы из-за чрезмерной сложности реализации их корректной проверки. о Самостоятельная проверка пользователем о Проверка решения учителем.

2.2.6.3. Базы данных задач и вопросов.

Таблицы базы данных:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

• | i" I. В рамках диссертационной работы получены следующие основные результаты.

• 1. Проведен анализ существующих систем дистанционного обучения на российском образовательном рынке. В виде таблиц, приведены результаты сравнительного анализа существующих систем ДО. Установлено, что ни одна из рассмотренных систем ДО не покрывает в полной мере всех потребностей образовательного процесса. В сравнительных таблицах сформулированы основные свойства, которые должны быть реализованы в системе ДО «Открытый Колледж» .

2. Разработана логическая и физическая (файловая) структуры платформы CourseML. Создана математическая модель электронного учебника и разработана технология создания на базе платформы CourseML электронного учебника, включающего такие информационные объекты, как текст, формулы, таблицы и т. д.

3. Разработаны способы задания, хранения, визуализации и сравнения сложных математических и химических формул — технологии MetaTeX и MathML.

4. Разработан сетевой тестирующий комплекс, предназначенный для самостоятельного решения задач и проведения аттестации в локальной сети и Интернет.

5. Разработаны инструментальные средства (библиотеки OBJava и Flacon) для создания интерактивных компонентов. Разработаны технологии создания моделей на основе библиотек OBJava и Flacon. Работоспособность и эффективность технологий подтверждены примерами разработки интерактивных моделей, включающих подробные описания выборочных отрывков исходных кодов программ.

6. Разработано инструментальное средство для создания виртуальных лабораторий. Детально разработана технология и приведены подробные описания исходного кода наиболее важных составляющих программных элементов виртуальных лабораторий.

7. Созданные математические модели и технологии системы ДО использованы для создания образовательного Интернте-портала «Открытый Колледж» .

ГГ’ТГ'' ! L.

I. 4.

I ., .

II. В рамках диссертационной работы на основе перечисленных выше инструментальных средств созданы:

1. Около 20 виртуальных лаборатории по физике.

2. Более 100 интерактивных учебных моделей по физике, математике, химии, астрономии.

3. Интернет-серверы, входящие в состав портала «Открытый колледж»: www.college.ru, www.mathematics.ru.www.physics.ru, www.chemistry.ru, www.biology.ru, www.english.ru.

4. Дополнительные образовательные электронные курсы для школьного и профессионального образования, входящие в Интернет-портал «Открытый Колледж» .

5. Электронные учебники, интерактивные модели и методические материалы, входящие в состав курсов: «Открытая Физика 2.0 часть 1», «Открытая Физика 2.5 часть 1», «Открытая Физика 2.5 часть 2», «Открытая Астрономия 2.0», «Открытая Астрономия 2.5», «Открытая Химия 2.0», «Открытая Химия 2.5».

6. Перечисленные в разделе 3 курсы сертифицированы Министерством образования и распространяются по учебным заведениям России.

В заключение хотелось бы выразить благодарность кафедре МОУ (математические основы управления) МФТИ и персонально Н. Н. Соболевой, Ю. А. Флерову, О. С. Федько за постоянную поддержку и руководство процессом создания данной работы, сотрудникам компании «ФИЗИКОМ» (В. Е. Брагину, Д. И. Мамонтову, Д. В. Ковальчуку, П. В. Скрибцо-ву, М. В. Богатыреву, Д. С. Гузу, С. А. Алешину, П. В. Заводаеву, Е. И. Андреевой и другим) за помощь в разработке технологических платформ, библиотек и в выполнении программных и методических частей работы. t — -I.. .". • 4 I I. I. 4 I.

— f—.

I ., .