автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированный комплекс разработки компьютерных учебных программ EduCAD

На правах рукописи

Романенко Владимир Васильевич

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС РАЗРАБОТКИ КОМПЬЮТЕРНЫХ УЧЕБНЫХ ПРОГРАММ ЕёиСАО

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в образовании)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2003

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР).

Научный руководитель:

доктор технических наук профессор Мицель Артур Александрович Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Силич Виктор Алексеевич

доктор физико-математических наук профессор Горчаков Леонид Всеволодович

Ведущая организация: Томский государственный университет

Защита состоится « 9 » октября 2003 г. в 17°° часов на заседании диссертационного совета Д.212.268.02 Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского 53, НИИАЭМ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: г. Томск, ул. Вершинина, 74.

Автореферат разослан « 8 » сентября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Клименко А.Я.

&OOS-/I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. С момента появления первых больших ЭВМ и по сей день, интенсивно изучаются проблемы разработки и проектирования системного и прикладного программного обеспечения. В настоящее время развиваются новые направления исследований в 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.

Для проектирования систем до недавнего времени применялись сложные профессиональные методики и программные средства. 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/System Engineering). 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. Важно то, что последние версии таких распространенных сред программирования, как Borland Delphi и Borland С++ Builder, также поддерживают технологию CASE.

Однако, в случае с электронным образованием, можно сделать следующую аналогию: 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, научно-методические, технологические и воспитывающие системы дидактических требований, и т.д.

Следовательно, требуются методы проектирования программных систем, направленных 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 подчиняющихся никаким общим стандартам. Разработанные с их помощью (или самостоятельно) компьютерные учебные программы (КУП), хотя и являются

РОС. НАЦИОНАЛЬНА*

БИБЛИОТЕКА С. Петер"

оэ toe

подчас оригинальными, не отвечают всей совокупности требований, предъявляемых к образовательным программам.

Таким образом, актуальность исследования обусловлена:

1. Бурным развитием, которое переживает сфера электронного образования в настоящее время;

2. Отсутствием требований к обучающим системам, формализованных в достаточной для математической и программной реализации степени;

3. Отсутствием аналогичных требований к системам, автоматизирующим разработку обучающих систем;

4. Большим объемом имеющейся пассивной информации (бумажных учебников), которую необходимо перевести в активную, электронную, форму;

5. Наличием обучающих программ в образовательном процессе в количестве, недостаточном для современного уровня развития информационных технологий в целом;

6. Высокими требованиями, предъявляемыми к готовым обучающим программам;

7. 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;

2. Выявить систему требований к средствам автоматизации разработки обучающих программ, исходя из требований к КУП;

3. Разработать концепцию и структуру автоматизированного комплекса, предназначенного для создания КУП;

4. Создать автоматизированный комплекс и применить его для разработки КУП по естественнонаучным дисциплинам.

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 о&ьектно-ориентированного програм-

мирования, синтаксического анализа, математического моделирования и визуализации, опирающиеся на методы вычислительной математики.

Основные положения, выносимые на защиту, можно сформулировать следующим образом:

1. Совокупность требований, предъявляемых к разработке обучающих программ и автоматизированным средствам их разработки.

2. 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.).

3. Отдельные компоненты автоматизированного комплекса разработки КУП и комплекс в целом.

4. Электронные обучающие курсы, разработанные с помощью автоматизированного комплекса.

Научная новизна результатов исследования состоит в следующем:

1. 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.

2. Разработана оригинальная математическая модель оценки сложности фреймов с учебным материалом с точки зрения качества обучения.

3. Впервые созданы универсальный шаблон-алгоритм интерактивного тренажера и многоуровневый алгоритм генерации программного кода.

4. 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 ЕбиСАО 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 САБЕ-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 ЕёиСАБ.

Внедрение результатов работы и рекомендации по их дальнейшему использованию. С помощью автоматизированного комплекса ЕйиСАО 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 дистанционного образования (ТМЦДО). Кроме того, мультимедийный курс «Концепции современного естествознания - 2» внедрен в Новосибирской государственной академии экономики и управления (НГАЭиУ).

Автоматизированный комплекс Ес1иСАО 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. 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 (комплекс-

ного учебно-методического программного обеспечения) на Сибирской ярмарке 2002 года в г. Новосибирске получил Большую золотую медаль. Этот учебный комплекс зарегистрирован в депозитарии электронных изданий ФГУГТ НТЦ «Информрегистр» Министерства РФ по связи и информатизации 16 января 2003 года, ему присвоен номер государственного учета 0320300013.

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 ТУ СУР. 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.

а «Вычислительная математика»: ядро курса, анимированные презентации, гипертекстовый электронный учебник, практические работы. Автор материалов по дисциплине - профессор кафедры АСУ ТУСУР Мицель A.A.

□ «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 А.М.

□ «Методы оптимизации»: ядро курса, анимированные презентации, часть глав гипертекстового электронного учебника. Авторы материалов по дисциплине - профессор кафедры АСУ ТУСУР Мицель A.A. и доцент кафедры АСУ ТУСУР Шелестов A.A.

Структура и объем диссертации. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы. Представлено состояние предметной области - электронного образования - в настоящее время. Исходя из этого, обоснована актуальность исследования, а затем его цели и задачи. На основании целей выведены методы исследования проблемы и приведены элементы научной новизны работы. Сформулированы практическая и теоретическая ценность работы, основные защищаемые положения, обоснована их достоверность. Затем говорится о внедрении результатов дис-

сертации и рекомендациях по их дальнейшему использованию, апробации работы и опубликованных материалах по теме исследования.

В первой главе рассматриваются общие принципы разработки компьютерных учебных программ. Приведены основные термины, использующиеся в сфере электронного образования. Показано, что любая обучающая программа — это активная форма информационного ресурса. Бытует мнение, что бумажные учебники гораздо удобнее электронных. Однако у таких утверждений есть слабые места, так как они являются следствием инерционности системы образования. На самом деле, существует множество аспектов, по которым электронная форма представления информации гораздо более удобна, чем бумажная. Некоторые способы использования электронных учебников не имеют аналогов в случае с печатными изданиями. Интересен прогноз на будущее дистанционного обучения и электронного образования в целом: в обозримом будущем примерно 40-50% учебного времени не только в вузах, но и школах (по мере появления для этого соответствующих условий) будет приходиться на долю дистанционного обучения.

Рассмотрена история развития электронного образования, с момента его появления и до наших дней. Прослеживается прогресс в этой области информационных технологий, выявляются его причины. Отмечается, что к разработке обучающих программ подключаются представители самых разных профессий, ими совершается попытка систематизации разработок КУП.

Выдвигается современная концепция компьютерной учебной программы. Подробно разобраны аспекты функциональных характеристик и требований к электронным учебникам, комплексам лабораторных и практических работ, а также виртуальным лабораториям. Рассмотрена классификация видов КУП и предъявляемых к ним требований. Перечислим эти требования:

1. Эффективность процесса и качество результата обучения.

2. Необходимость соблюдения выработанных системой образования дидактических принципов.

3. Помещение ученика в центр системы электронного образования при поиске места проектируемого КУП в ее рамках.

4. Системность преподнесения знаний, так как системность должна присутствовать в любой целенаправленной деятельности.

5. Объективность преподносимой информации и объективность оценки знаний учащихся средствами КУП.

6. Универсальность КУП, то есть обучающий комплекс должен включать в себя все необходимые материалы для изучения дисциплины в полном ее объеме.

7. Взаимосвязанность учебного материала, и, как следствие, взаимосвязанность всех компонентов ЭОК.

8. Интерактивность КУП, то есть обеспечение каскадной обратной связи между учеником, КУП и учителем, которую необходимо учитывать при системном анализе обучающего курса и его места в СЭО. Как следствие требования интерактивности, следует тре-

бование гипертекстового представления учебного материала и наличия многоуровневых тренажерных программ.

9. Центр ал изованность ЭОК, то есть наличие центра управления всеми компонентами и ресурсами ЭОК, обеспечивающего среду обмена данными и поддержку каскадной обратной связи.

10; Дружественность интерфейса, предоставляющего (помимо удобства работы с КУП) в сочетании с гипертекстовым представлением данных единообразный подход к обучению.

11. Непрерывность и дискретность обучения.

12. Адекватность представления моделируемого объекта при виртуальном моделировании.

13. Визуализация учебного материала и динамических моделей на высоком уровне.

14. Наличие необходимой учебной мультимедиа-информации.

15. Развернутость поисковых и справочных средств.

16. Хранение учебной информации в специальных базах данных для удобства работы с ней всех компонентов ЭОК, а также хранения и редактирования.

17. Учет требований визуализации процесса создания КУП, поддержки системного и объектно-ориентированного подхода, ориентации среды на разработку КУП при выборе средства разработки.

Среда окружения ЭОК

БД

ЭС

рг чг

Среда обмена данными --

Компонент 1

Компонент2

4 *

Компонент N

Обмен данными между обучающимся и ЭОК с обязательной обратной связью

Ученик

Рис. 1 - Состав электронного обучающего комплекса

В настоящее время прослеживается тенденция к усложнению состава универсального обучающего комплекса, объединяющего все перечисленные виды программ, каналы связи между ними, системы организации обратной связи с учеником, вспомогательные средства и данные. Следовательно, необходимо создание управляющего ядра обучающего курса (рис. I).

При разработке обучающих программ необходимо также уделять внимание наличию информационно-справочной поддержки.

Построенная модель «черного ящика» системы электронного образования (СЭО) декомпозируется в первом приближении, выявляя некоторые элементы своей структуры. Для изучения проблемной области на данном этапе исследования применяются подходы системного анализа (рис. 2).

Рис. 2 - Первая декомпозиция модели СЭО

Ввиду своей особой значимости при разработке современных обучающих программ, выделены следующие аспекты: использование гипертекстового представления данных и роль мультимедиа-технологий в электронном образовании. Судя по комментариям в литературе и данным проведенного исследования, трудно переоценить значимость использования этих подходов в области электронного образования.

В работе проведена классификация средств проектирования и разработки обучающих программ (рис. 3). Языки программирования (ЯП) высокого уровня и специализированные языки наиболее соответствуют поставленной задаче. Так как визуальность разработки играет большую роль при создании обучающих программ (в силу сформулированных требований), это важный признак классификации, и программные среды, обеспечивающие визуальность разработки, гораздо больше подходят для полноценного проектирования, чем не обеспечивающие ее. В качестве критериев, позволяющих отнести ту или иную среду разработки к одному из перечисленных признаков по ориентации на разработку КУП, предложено рассматривать степень визуализации, объектно-ориентированный и системный подход, использование CASE-технологий. Наиболее подходящими для разработки обучающих программ средами программирования являются специализированные системы и среды программирования Borland С++ Builder и Borland Delphi, эти среды также подходят для разработки автоматизированных средств.

Даны примеры наиболее распространенных аналогов проектируемого автоматизированного комплекса.

Рис. 3 - Классификация средств разработки КУП

Вторая глава посвящена поиску путей автоматизации разработки КУП. Автоматизированная разработка обучающих программ должна повышать эффективность разработки, улучшать качество проектируемых КУП и при этом оптимально использовать предоставленные ресурсы. При формулировании требований к средствам создания КУП необходимо учитывать также требования к самим обучающим программам. Таким образом, содержание второй главы логически следует из содержания первой.

Помимо основных этапов разработки программного обеспечения (ПО), для разработки КУП необходимы дополнительные этапы. К ним также применим принцип системного подхода. В частности, на предварительном этапе осуществляются маркетинговые исследования, выбирается курс и происходит сбор учебных материалов. Этапы анализа требований, составления спецификаций и проектирования объединены в один. Во время этих этапов происходит также написание сценария курса. Автоматизация объединенного этапа кодирования и тестирования может обеспечить существенное преимущество при разработке КУП. Это позволит больше времени уделять проработке дидактических вопросов создания КУП, а не программированию. Рассматриваются также дополнительные этапы лицензирования, тиражирования и завер-

шающий этап. Он заключается во внедрении КУП в процесс обучения, контроль и диагностику функционирования, а также анализ обратной связи.

Проведен обзор особенностей проектирования и разработки КУП, позволяющие применять элементы автоматизации. Говорится о дидактических, психологических и педагогических требованиях, выдвигаемых к КУП. Однако, перечисленные особенности электронного образования слабо формализованы для их представления в математической либо алгоритмической формах. Поэтому предложен пример математического описания некоторых аспектов функционирования КУП. В частности, критерий эффективности процесса обучения

S(x)>Smin, (1)

где 5(х) — оценка набора данных, полученная с помощью аппроксимации значений из экспертной базы данных. Аппроксимация полиномом Лагранжа

г

9-1

И>

/»О /«о

2>W

1

ПК-**)

1*1

(2)

не удовлетворяет нас по соображениям точности, поэтому в работе использовался метод наименьших квадратов (МНК):

(3)

\ j

Здесь - вес соответствующего критерия оценки набора данных, Ия - параметр, учитывающий индивидуальную реакцию обучающегося.

В качестве наборов данных могут выступать как текст, так и аудио- и видеозаписи. В работе предложено наборы данных (в качестве которых берутся фреймы) оценивать по следующим критериям:

1. среднее количество слогов основного состава слов;

2. количество объектов верхнего уровня на фрейме;

3. максимальное количество несвязанных понятий.

Таким образом, при разработке обучающей программы первые несколько фреймов создаются коллективом экспертов, которые сопоставляют каждому созданному фрейму некоторую оценку. Таким образом, создается экспертная база данных. Далее над КУП работает один разработчик. После аппроксимации экспертных данных по МНК получаем зависимость сложности фрейма (или его качества с точки зрения обучения) от значения каждого критерия. Суммируя эти оценки с разными весами по выражению (3), получаем окончательную оценку. Если она не удовлетворяет заданному априори значению (1), необходима переработка фрейма.

Построенная модель допускает изменение критериев оценки и их весов, а также позволяет привлекать произвольное число экспертов для оценки любого фрейма обучающей программы.

Система

Подсистема

Объект

Подсистема 2-го уровня

Объект

Объект

Подсистема 2-го уровня

Объект

Объект

Объект

Подсистема Объект

Объект

Объект

Объект

Объект

Рис. 4 - Фреймовая модель системы

Фреймовая модель обучения является наиболее подходящей для целей электронного образования. Помимо основных достоинств (иерархичность, гибкая структура связей), в работе отмечается схожесть фреймовой модели и кадра обучающей системы, а также ее системность (рис. 4). Это означает, что даже при проектировании такого маленького компонента КУП, как фрейм, мы уже можем применять системный подход.

Интерфейс КУП обеспечивает важную интерактивную прослойку, облегчающую взаимодействие ученика со смысловым ядром программы и защищающую ядро от несанкционированного доступа.

На основании всех достигнутых к этому времени результатов исследования, проводим окончательную декомпозицию СЭО (рис. 5).

В качестве рутинных действий, которые логично было бы автоматизировать для сокращения времени создания КУП, укажем следующие:

1) разработка многоуровневых интерактивных тренажеров;

2) требование унифицированного интерфейса;

3) поддержка мультимедиа;

4) организация обратной связи;

5) поддержка поисковых и справочных средств;

6) управление базами и банками данных и знаний;

7) организация непрерывного и пошагового обучения и т.д.

Оценивая время разработки КУП

г - М

*Р~ V'

Г*

где Б - объем программы в строках, V - количество строк, набираемых программистом за год, п - количество программистов, мы видим, что высокие оценки дает ожидаемая экономическая эффективность, особенно для тех систем, где ранее автоматизация производственного процесса не использовалась.

Рис. 5 - Система электронного образования

В дополнение к требованиям к компьютерным учебным программам, сформулированным в первой главе, на основании материалов данной главы можно добавить следующие требования:

1. Использование определенной модели обучения, в частности, фреймовая модель обладает определенными преимуществами.

2. Уместность мультимедиа-информации, то есть использование ее там, где это действительно необходимо, в дополнение к другим видам учебных материалов.

3. Учет психологических особенностей предполагаемой аудитории КУП (возраст, пол, тип восприятия, способ реализации активности).

4. Соблюдение физиологических особенностей восприятия электронной информации, в том числе восприятия цветов и форм.

5. Удовлетворение формализованных оценок учебной информации в КУП критериям качества обучения.

6. Лаконичность учебного материала.

7. Оптимальная скорость подачи информации.

8. Рассмотрение развития личности обучаемого как системообразующего фактора при системном анализе СЭО.

Таким образом, выделим основные требования к автоматизированной системе, предназначенной для разработки обучающих программ:

1. На первом месте находится большая совокупность требований, касающаяся того, что АС должна позволять разработку КУП, отвечающих всем требованиям, выдвинутым в первой и второй главе к обучающим программам.

2. Возможность реализации КУП из возможно более широкого набора альтернатив. Другими словами, АС должна быть многофункциональной и универсальной. Если она нацелена на реализацию узкого класса КУП, то не соответствует данному требованию.

3. Обеспечение автоматизированной системой последовательного проведения всех необходимых этапов разработки КУП.

4. Достижение высокой эффективности разработки КУП в сжатые сроки, улучшение качества КУП, оптимальное использование людских, вычислительных и информационных ресурсов.

5. Обеспечение разделения интерфейса и образовательного ядра КУП, что оказывает влияние на подсистему КУП в общей системе электронного образования.

6. Автоматизация рутинных действий, в том числе замыкание функции отладки и поддержка блочной структуры ресурсов КУП.

В третьей главе приведены особенности программной реализации автоматизированного комплекса (АК) Ес1иСАО, первая версия которого была разработана в 2000 году. Показан планируемый состав первой версии комплекса и описаны его составные части. Рассмотрены нововведения, появившиеся в рамках автоматизированного комплекса к настоящему времени. В связи с усложнившейся структурой КУП, необходима разработка программ-

но го центра управления, ядра обучающих курсов. Соответственно, нужна автоматизированная система, помогающая проектировать такие центры управления. На рис. 6 рассмотрен состав автоматизированного комплекса ЕЛдСАЭ, каким он является на сегодняшний день.

АС разработки ЭУ EduCAD Textbook 2

О

АС подготовки тестов EduCAD Control

е

АС проектирования презентаций EduCAD Presentation

О

Динамический шаблон EduCAD Practice

О

Электронный учебник

О

Пакет контроля знаний ^

Практические работы ^

Аиимированные презентации

О

Центр управления АК EduCAD

Базы данных по предметной области

Рис. 6 - Серверная и клиентская части АК EduCAD

Автоматизированная система (AC) EduCAD Textbook пополняет учебную базу данных гипертекстовой информацией, представляющей лекционный материал по дисциплине. Подробно говорится о внутренних языках разметки, интерпретируемых разработанным браузером, их синтаксических правилах и возможностях. Описывается метод синтаксического анализа, с помощью которого распознаются входные цепочки гипертекстовых данных. Отмечена подсистема масштабирования кадра с учебной информацией, варианты ее реализации, а также плюсы и минусы каждого из подходов. Приведен формат хранения гипертекстовых и упакованных графических данных.

Кратко сказано об автоматизированной системе EduCAD Control, пополняющей учебную базу данных информацией для автоматизированных

экзаменов, тестов, самоконтроля и т.д. Автор данной программы - Веретенников М.В.

J Начало алгоритма ]

Решать задачу

Выбор команды "I

Сделать шаг

Сделать шаг (направление,да)

п

Получить подсказку

Текущий узел :» О Начало решения := нет Конец решения := нет

Подсказка да

i

Сделать шаг

(вперед. да)

Реинициализация элементов управления

Выбрать язык программирования

Подсказка Префикс узла

нет

:= «»

Язык выбранный язык Данные изменены да

Вызов интерфейса IPreparator

Выделить узел

решения (текущий узел)

Генерировать программу

Показать параметры задачи

Показать значение параметра «уровень тренажера»

~1

Показать значение параметра «допустимая погрешность решения»

Показать значение параметра «уровень тренажера»

Выход

I

Конец алгоритма I

Рис. 7 - Алгоритм работы ДШ EduCAD Practice

Автоматизированная система EduCAD Presentation пополняет учебную базу данных информацией для анимированных мультимедийных презентаций. Она также служит для разработки программных центров управления

обучающими курсами. В работе рассмотрены ее возможности, структура классов и формат хранения данных.

И, наконец» сделан обзор особенностей реализации и функционирования разделяемого динамического шаблона EduCAD Practice. Шаблон разработан в среде программирования Borland С++ Builder 4.0 и предназначен для создания комплексов лабораторно-практических работ по математическим дисциплинам. Подробно рассмотрены особенности программной реализации шаблона, способы его использования и предоставляемые им возможности. На рис. 7 приведен разработанный общий алгоритм функционирования практического тренажера, закрепляющего навыки обучающихся по математическим дисциплинам (представлен только фрагмент алгоритма ввиду его очевидной сложности).

В работе отмечается важность информационной совместимости компонентов КУП и автоматизированной системы. Разработанные форматы хранения и обработки данных обеспечивают их целостность и корректность. Сделаны предположения относительно дальнейших перспектив использования и развития комплекса. Теоретически и практически показаны преимущества его использования перед доугими системами проектирования и программирования, широко использующимися в настоящее время. С помощью модифицированного балльно-индексного метода были получены значения индексов эксплуатационно-технического уровня для программных систем EduCAD (87,5%), Borland Delphi 7.0 (42,5%) и Asymetrix Multimedia Toolbook II (70,7%). Это говорит о том, что для эффективной разработки качественных обучающих программ предпочтительно использование разработанного автоматизированного комплекса.

Четвертая глава содержит данные о практическом опыте применения автоматизированного комплекса EduCAD при разработке обучающих программ. В рамках комплекса были созданы ЭОК «Концепции современного естествознания - 2», «Вычислительтя математика», «Основы теории управления» и «Методы оптимизации». Все перечисленные ЭОК (а также ЭОК «Концепции современного естествознания») внедрены в учебный процесс ТМЦДО, ЭОК «Концепции современного естествознания - 2» внедрен в Новосибирской государственной академии экономики и управления.

ЭОК «Концепции современного естествознания - 2» зарегистрирован в депозитарии электронных изданий ФГУП НТЦ «Информрегистр» министерства РФ по связи и информатизации. Данный ЭОК в составе КУМПО (комплексного учебно-методического программного обеспечения) на Сибирской ярмарке 2002 года в г. Новосибирске получил Большую золотую медаль.

Заключение. В диссертации решена актуальная научно-техническая задача автоматизации разработки компьютерных учебных программ по естественнонаучным дисциплинам, изучаемыми студентами технических вузов. В результате проведенных исследований был создан автоматизированный комплекс EduCAD, позволяющий существенно сократить время разработки КУП, отвечающих современным требованиям к обучающим программам.

В результате проделанной работы:

1. Была создана система требований, которым должна удовлетворять любая обучающая программа, как практических, так и психолого-педагогических;

2. Неформализованные ранее требования к КУП были положены в основу математических и алгоритмических методик;

3. Выявлены основные элементы разработки КУП, которые могут быть подвергнуты автоматизации, показаны способы автоматизированной разработки КУП; <

4. Применен детальный системный подход к анализу системы электронного образования, с помощью декомпозиции раскрыты ее основные объекты и связи между ними; ч'

5. Результаты системного анализа существенно повлияли на представление оптимального состава . КУП и автоматизированных средств их разработки;

6. На основании всей выявленной информации, предложена концепция автоматизированного создания обучающих программ;

7. Показан эффект, достигаемый за счет автоматизации проектирования и разработки КУП;

8. Автоматизированные средства создания обучающих программ реализованы в виде комплекса ЕсЬдСАО;

9. В рамках комплекса ЕёиСАБ автоматизированным способом, быстро и качественно разработан ряд КУП, удовлетворяющих совокупности требований, выдвигаемых к обучающим программам.

В дальнейшем результаты работы могут быть использованы в различных целях:

1. Выявленная система требований позволяет системно подходить к разработке новых КУП, обеспечивая научную основу проектированию. Созданные таким образом обучающие программы обеспечивают высокое качество обучения.

2. По результатам исследования могут также строится универсальные алгоритмы обучения, как в неформализованной, так и строгой (математической или алгоритмической) формах.

3. Общие концепции автоматизации разработки КУП, положенные в основу создания всех компонентов комплекса ЕёиСАВ, а также разработанные программные модули могут быть использованы для 1 создания других автоматизированных систем;

4. Комплекс ЕёиСАО построен на расширяемой компонентной основе. Это позволит в дальнейшем подключать к нему новые модули с той целью, чтобы разработанные ЭОК отвечали новейшим тенденциям электронного образования;

5. Возможна дальнейшая формализация разработанной модели электронного образования, в частности, применением методов теории автоматического управления;

6. Материалы работы могут быть использованы для создания общей системы стандартов на образовательное программное обеспечение. Имеющиеся в этой области наработки (например, ГОСТ 7.83-2001 и др.) касаются только частных вопросов проблемы. Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Романенко В.В. Автоматизированная система разработки электронных учебников. // Труды международной научно-практической конференции «Технический университет: дистанционное инженерное образование». - Томск: изд-во ТПУ, 2000. - С. 29-31.

2. Мицель A.A., Шелестов A.A., Романенко В.В. Электронный учебник по дисциплине «Методы оптимизации». Концепция учебника. // Материалы VI международной конференции «Информационные технологии в образовании», часть 2. - Санкт-Петербург: изд-во СПбГЭТУ, 2000. - С. 212-214.

3. Романенко В.В. Автоматизированная система разработки электронных учебников. // Материалы XXXVIII международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс. Информационные технологии», часть 2. - Новосибирск: изд-во НГУ, 2000.-С. 31-32.

4. Романенко В.В. Концепция электронного учебника. Электронный учебник по дисциплине «Методы оптимизации». // Тезисы докладов четвертой региональной научно-технической конференции «Радиотехнические и информационные системы и устройства», часть 2. -Томск: изд-во ТУСУР, 2000.

5. Романенко В. В. Проблемы разработки компьютерных учебников по естественнонаучным дисциплинам. Элементы систематизации и автоматизации процесса разработки. // Тезисы докладов научно-методической конференции «Современное образование: качество и новые технологии». - Томск: изд-во ТУСУР, 2000.

6. Романенко В.В. Проблемы формирования страниц современного интерактивного электронного учебника. // Тезисы докладов научно-методической конференции «Современное образование: качество и новые технологии». - Томск: изд-во ТУСУР, 2000.

7. Мицель A.A., Романенко В.В. Автоматизированная система разработки электронных учебников. // Открытое образование, 2001, №5.-С. 22-27.

8. Мицель A.A., Романенко В.В., Веретенников М.В., Клыков В.В. Комплект средств автоматизированного обучения «Вычислительная математика». // Доклады 7-й международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС - 7-2001), часть 2. - Барнаул: изд-во ТГУ, 2001.-С. 163-165.

9. Мицель A.A., Романенко В.В., Клыков В.В. Электронный обучающий комплекс «Вычислительная математика». // Сборник научных трудов международной научно-технической конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине», часть 2. - Волгоград: РПК «Политехник», 2002.

10. Романенко В.В. Визуализация разработки электронных обучающих комплексов в системе «EduCAD Textbook». // Сборник научных трудов международной научно-технической конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине», часть 2. -Волгоград: РПК «Политехник», 2002. - С. 21b-219.

11. Мицель A.A., Романенко В.В., Клыков В.В. Электронный обучающий комплекс «Вычислительная математика». // XI международная научно-методическая конференция «Новые информационные технологии в университетском образовании». Тезисы докладов. - Кемерово: изд-во КемГУ, ИДМИ, 2002. - С. 68-70.

12. Мицель A.A., Романенко В.В., Клыков В.В. Электронный мультимедийный учебник «Вычислительная математика». // Труды региональной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении». - Юр га: изд-во ТПУ, 2002.-С. 123-124.

13. Кориков А.М, Романенко В.В., Тресков М.В. Электронный мультимедийный учебник «Основы теории управления». // Труды региональной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении». — Юрга: изд-во ТПУ, 2002.-С. 124-125.

14. Романенко В.В. Концепция представления компьютерных учебных пособий и ее применение в новой версии системы EduCAD. // Труды региональной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении». - Юрга: изд-во ТПУ, 2002.-С. 125-126.

15. Романенко В.В., Клыков В.В. Электронный учебник по дисциплине «Методы оптимизации». // Межрегиональная научно-техническая конференция «Научная сессия ТУСУР». Тезисы докладов. - Томск: изд-во ТУСУР, 2002. - С. 24-25.

16. Мицель A.A., Романенко В.В., Клыков В.В. Вычислительная математика. Учебное пособие к электронному учебнику. // Томск: изд-во ТМЦДО, 2002. - 125 с.

17. Романенко В.В. Развитие автоматизированного комплекса разработки компьютерных учебных пособий EduCAD. И Сборник научных трудов ТУСУР «Автоматизированные системы обработки информации, управления и проектирования», том 7. - Томск: изд-во ТУСУР, 2002.-С. 147-155.

18. Мицель A.A., Романенко В.В., Клыков В.В. Мультимедийный электронный учебник «Вычислительная математика». //

Всероссийская научно-практическая конференция-выставка «Единая образовательная информационная среда: проблемы и пути развития». Тезисы докладов. - Томск: изд-во ТГУ, 2002.

19. Мицель A.A., Романенко В.В., Клыков В.В. Мультимедийный электронный учебник «Вычислительная математика». // Открытое и дистанционное образование, 2002, №4. - С. 82-83.

20. Романенко В.В. Особенности программной реализации компонентов автоматизированного комплекса EduCAD. II Труды научно-технической школы-семинара студентов, аспирантов и молодых специалистов «Информационные системы». - Томск: изд-во ТУСУР, 2002. -С. 134-143.

21. Романенко В.В. Динамический шаблон для создания электронных практических работ по математическим дисциплинам. // Труды научно-технической школы-семинара студентов, аспирантов и молодых специалистов «Информационные системы». - Томск: изд-во ТУСУР, 2002.-С. 144-151.

22. Романенко В.В., Романенко A.B. Разработка гипертекстового электронного учебника по дисциплине «Методы оптимизации» в системе EduCAD Textbook 2.0. // Материалы региональной научно-методической конференции «Современное образование: интеграция учебы, науки и производства». - Томск: изд-во ТУСУР, 2003. - С. 8990.

23. Мицель A.A., Романенко В.В., Клыков В.В. Мультимедийный электронный обучающий курс «Вычислительная математика». // Открытое образование, 2003, №1. - С. 47-51.

24. Романенко В.В. Общие принципы автоматизации разработки компьютерных учебных пособий в комплексе EduCAD. // Известия ТПУ, 2003, №4. - С. 117-121.

25. Романенко В.В. Общие принципы автоматизации разработки компьютерных учебных пособий в комплексе EduCAD. // Программные продукты и системы, 2003, №2. - С. 34-37.

26. Мицель A.A., Кориков A.M., Романенко В.В. и др. Основы теории управления. Учебное пособие к электронному учебнику. // Томск: изд-во ТМЦДО, 2003.

27. Мицель A.A., Шелестов A.A., Романенко В.В. и др. Методы оптимизации. Учебное пособие к электронному учебнику. // Томск: изд-во ТМЦДО, 2003.

»14 137

Тираж 100. Заказ 755. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники пр. Ленина, 40

Введение.

Глава 1 Общие принципы разработки КУП.

1.1 Тенденции развития электронного образования.

1.1.1 К вопросу о целесообразности создания и использования обучающих программ.

1.1.2 Электронное образование: история развития.

1.2 Современная концепция КУП.

1.2.1 Виды КУП и предъявляемые к ним требования.

1.2.2 Использование гипертекстового представления данных.

1.2.3 Роль мультимедиа-технологий в электронном образовании.

1.3 Средства проектирования и разработки КУП.

1.4 Выводы.

Глава 2 Теоретическое обоснование целесообразности автоматизации процесса разработки КУП.

2.1 Этапы разработки КУП.

2.1.1 Предварительный этап.

2.1.2 Анализ требований и спецификация. щ 2.1.3 Этап кодирования и тестирования.

2.1.4 Лицензирование и тиражирование.

2.1.5 Завершающий этап.

2.2 Концепция автоматизации разработки КУП.

2.2.1 Учет психологических и педагогических особенностей использования КУП при обучении.

2.2.2 Фреймовая модель обучения.

2.2.3 Интерфейс - лицо обучающей программы.

2.2.4 Системный подход к разработке.

2.3 Привлечение вычислительных систем к процессу разработки КУП.

2.4 Выводы.

Глава 3 Автоматизированный комплекс EduCAD.

3.1 Общие сведения о комплексе.

3.2 Состав комплекса EduCAD.

3.2.1 Автоматизированная система EduCAD Textbook.

3.2.1.1 Внутренние языки разметки ECHTL и ECVPDL.

3.2.1.2 Синтаксический анализ данных.

3.2.1.3 Система масштабирования кадра.

3.2.1.4 Формат хранения данных.

3.2.2 Автоматизированная система EduCAD Control.

3.2.3 Автоматизированная система EduCAD Presentation.

3.2.3.1 Структура классов.

3.2.3.2 Формат хранения данных.

3.2.4 Динамический шаблон EduCAD Practice.

3.2.4.1 Программная реализация шаблона.

3.2.4.2 Предоставляемые возможности.

3.2.4.3 Представление решения задачи в виде дерева.

3.2.4.4 Генерация программного кода.

3.2.4.5 Мастер настройки EduCAD WisePractice.

3.3 Особенности представления данных.

3.4 Дальнейшие перспективы развития комплекса.

Глава 4 Опыт применения автоматизированного комплекса EduCAD в разработке КУП.

4.1 Планирование разработки.

4.1.1 ЭОК «Концепции современного естествознания».

4.1.2 ЭОК «Вычислительная математика».

4.1.3 ЭОК «Методы оптимизации».

4.1.4 ЭОК «Основы теории управления».

4.2 Разработка презентаций и мультимедийных лекций.

4.3 Разработка гипертекстовых электронных учебников.

4.4 Разработка математических тренажеров.

4.5 Контроль знаний студентов.

4.6 Внедрение КУП в образовательный процесс.

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 ft 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, I. 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 С++ 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 4и формализации описания таких программ. Это действительно фундаментальная проблема.

Практически все известные системы проектирования обучающих программ являются разрозненными наборами программных средств, не подчиняющихся никаким общим стандартам. Разработанные с их помощью (или самостоятельно) компьютерные учебные программы (КУП), хотя и являются подчас оригинальными, не отвечают всей совокупности требований, предъяв ляемых к образовательным программам [31, 49, 73, 80, 88, 89 и др.].

Таким образом, актуальность исследования обусловлена:

1. Бурным развитием, которое переживает сфера электронного образования в настоящее время;

2. Отсутствием требований к обучающим системам, формализованных в достаточной для математической и программной реализации степени;

3. Отсутствием аналогичных требований к системам, автоматизирующим разработку обучающих систем;

4. Большим объемом имеющейся пассивной информации (бумажных учебников), которую необходимо перевести в активную, электронную, форму;

5. Наличием обучающих программ в образовательном процессе в количестве, недостаточном для современного уровня развития информационных технологий в целом;

6. Высокими требованиями, предъявляемыми к готовым обучающим программам;

7. Трудностью создания без вспомогательных средств обучающих про-^ грамм, 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:

4 1. Создать систему формальных требований, которым должны отвечать обучающие программы, и которые можно заложить в основу программной реализации;

2. Выявить систему требований к средствам автоматизации разработки обучающих программ, исходя из требований к КУП;

3. Разработать концепцию и структуру автоматизированного комплекса, предназначенного для создания КУП;

4. 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:

1. Совокупность требований, предъявляемых к разработке обучающих программ и автоматизированным средствам их разработки;

2. 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.);

3. Отдельные компоненты автоматизированного комплекса разработки КУП и комплекс в целом;

4. Электронные обучающие курсы, разработанные с помощью автоматизированного комплекса.

Научная новизна результатов исследования состоит в следующем:

1. 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;

2. Разработана оригинальная математическая модель оценки сложности фреймов с учебным материалом с точки зрения качества обучения;

3. Впервые созданы универсальный шаблон-алгоритм интерактивного тренажера и многоуровневый алгоритм генерации программного кода;

4. 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 дистанционного образования (ТМЦДО). 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 ТУ СУР 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.

Заключение

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача автоматизации разработки компьютерных учебных программ по естественнонаучным дисциплинам, изучаемыми студентами технических вузов. В результате проведенных исследований был создан автоматизированный комплекс EduCAD, позволяющий существенно сократить время разработки КУП, отвечающих современным требованиям к обучающим программам.

В результате проделанной работы:

1. Была создана система требований, которым должна удовлетворять любая обучающая программа, как практических, так и психолого-педагогических;

2. Неформализованные ранее требования к КУП были положены в основу математических и алгоритмических методик;

3. Выявлены основные элементы разработки КУП, которые могут быть подвергнуты автоматизации, показаны способы автоматизированной разработки КУП;

4. Применен детальный системный подход к анализу системы электронного образования, с помощью декомпозиции раскрыты ее основные объекты и связи между ними;

5. Результаты системного анализа существенно повлияли на представление оптимального состава КУП и автоматизированных средств их разработки;

6. На основании всей выявленной информации, предложена концепция автоматизированного создания обучающих программ;

7. Показан эффект, достигаемый за счет автоматизации проектирования и разработки КУП;

8. Автоматизированные средства создания обучающих программ реализованы в виде комплекса EduCAD;

9. В рамках комплекса EduCAD автоматизированным способом, быстро и качественно разработан ряд КУП, удовлетворяющих совокупности требований, выдвигаемых к обучающим программам.

В дальнейшем результаты работы могут быть использованы в различных

1. Выявленная система требований позволяет системно подходить к разработке новых КУП, обеспечивая научную основу проектированию. Созданные таким образом обучающие программы обеспечивают высокое качество обучения.

2. По результатам исследования могут также строится универсальные алгоритмы обучения, как в неформализованной, так и строгой (математической или алгоритмической) формах.

3. Общие концепции автоматизации разработки КУП, положенные в основу создания всех компонентов комплекса EduCAD, а также разработанные программные модули могут быть использованы для создания других автоматизированных систем;

4. Комплекс EduCAD построен на расширяемой компонентной основе. Это позволит в дальнейшем подключать к нему новые модули с той целью, чтобы разработанные ЭОК отвечали новейшим тенденциям электронного образования;

5. Возможна дальнейшая формализация разработанной модели электронного образования, в частности, применением методов теории автоматического управления;

6. Материалы работы могут быть использованы для создания общей системы стандартов на образовательное программное обеспечение. Имеющиеся в этой области наработки (например, ГОСТ 7.83-2001 и др.) касаются только частных вопросов проблемы.

1. Аветисян Д.Д. Программно-технологический комплекс TeachPro для ^ создания электронных учебников. // Открытое образование, 2001, №4.

2. Агранович Б.Л., Чудинов В.Н. Методологические проблемы дистанционного инженерного образования. // Технический университет: дистанционное инженерное образование. Труды международной научно-практической конференции. Томск: изд-во ТПУ, 1998.

3. Аленичева Е., Езерский В., Антонов А. Компьютеризация и дидактика: поле взаимодействия. // Высшее образование в России, 1999, №5.

4. Андерсон Т. Visual Basic: шаг за шагом. // М.: Бином, 1998. 224 с.

5. Антопольский А.Б., Морозов В.А., Серегина О.И. Государственная регистрация электронных информационных ресурсов. // Дистанционное образование, 1998, №2.

6. Арнольд К., Гослинг Дж. Язык программирования Java. СПб.: Питер-Пресс, 1996. - 304 с.

7. Архангельский А.Я. Программирование в С++ Builder 4. М.: Бином, 2000. - 629 с.

8. Ахо А.А., Ульман Д.Д. Теория синтаксического анализа, перевода ** и компиляции. В 2 т. М.: Мир, 1978.

9. Б а б э Б. Просто и ясно о Borland С++. // М.: Бином, 1996. 416 с.

10. Бартеньев О.В. FORTRAN для студентов. М.: Диалог-МИФИ, 1999. -184 с.

11. Белецкий Я. Турбо Паскаль с графикой для персональных компьютеров. // М.: Машиностроение, 1991. 320 с.

12. Белецкий Я. Фортран 77. М.: Высшая школа, 1991. -207 с.

13. Белецкий Я. Turbo Assembler 2.0. М.: Машиностроение, 1994.- 160с.

14. Кибернетика и проблемы обучения. Под редакцией Берга А.И. — М.: Прогресс, 1970.-392 с.

15. Беспалько В.П. Теория учебника.-М.: Педагогика, 1988. 160 с.

16. Большая советская энциклопедия. В 31 т. — М.: Советская энциклопедия, 1969-1978.

17. Бряндинский А.И. Методы программирования на Бейсике. — М.: Мир, 1991.-288 с.

18. Буч Г., Рамбо Д., Джекобсон A. UML. Руководство пользователя. М.: ДМК, 2000. - 432 с.

19. Васюкова Н.Д., Тюляева В.В. Практикум по основам программирования. Язык Pascal. — М.: Высшая школа, 1991. — 160 с.

20. Вендров A.M. CASE-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. — http://citforum.ru/database/ case/index, shtml

21. Веретенников М.В. Автоматизированная система проверки знаний «EduCAD Control». // Сборник трудов ТУСУР «Автоматизированные системы обработки информации, управления и проектирования». Томск: изд-во ТУСУР, 2002. - Т. 7. - С. 156-158.

22. Воинов Б.С. Информационные технологии и системы. В 2 т. Нижний Новгород: изд-во ННГУ, 2001.

23. Гаврилов Н.А. Технология создания курсов дистанционного образования. — http://nikgavrilov.narod.ru/kursdoverl

24. Гальперин П.Я. Краткий очерк развития исследований поэтапного формирования умственных действий и понятий. М.: Наука, 1968.

25. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: Высшая школа, 2002. 479 с.

26. Григорьев А. Компиляторы Microsoft С 5.0 и Quick С 1.0.//М.: Наука, 1990.-80 с.

27. Горлушкина Н.Н. и др. Проектирование компьютерных обучающих программ. http://de.ifmo.ru/librarv/0055

28. Гроше в И. Информационные технологии: тендерный аспект. // Высшее образование в России, 1999, №4.

29. Даль В.И. Толковый словарь живого великорусского языка. В 4 т. -М.: Диамант, Золотой век, 1999.

30. Демкин В., Руденко Т., Серкова Н. Психолого-педагогические особенности ДО. // Высшее образование в России, 2000, №3.

31. Деннинг A. ActiveX для Windows 95, Windows NT. СПб.: Питер, 1998.-624 с.

32. Дубнищева Т.Я., Мицель А.А., Веретенников М.В. Новая версия электронного учебника по дисциплине «Концепции современного естествознания». // Открытое и дистанционное образование, 2002, №4.

33. Елисеева И.И. Дистанционное обучение в среде мультимедиа-технологий. // Дистанционное образование, 1997, №2.

34. Епанешников A.M., Епанешников В.В. Программирование в среде Delphi. М.: Диалог-МИФИ, 1998. - 302 с.

35. Ершов А.П. Информатика и компьютерная грамотность. — М.: Наука, ** 1988.

36. Калайда В.Т. Теория вычислительных процессов и структур. Томск: изд-во ТУСУР, 2000. - 157 с.

37. Калиткин Н.Н. Численные методы.-М.: Наука, 1978, — 512 с.

38. Кватрани Т. Rational Rose 2000 и UML. Визуальное моделирование. -М.: ДМК, 2001.- 176 с.

39. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ. В 3 т.-М.: Мир, 1976.

40. Кориков A.M. Основы теории управления. Томск: изд-во HTJI, 2002. - 392 с.

41. Короткое A.M. Компьютерное обучение: система и среда. // Информатика и образование, 2000, №2.

42. Коршунов П.Ф., Мирошниченко Е.А. Обработка естественного языка в системах с автоматизированным контролем знаний. // Открытое образование, 2001, №4.

43. Корюкина Е.В. Электронный курс «Моделирование процессов в физике и биологии» на основе MAPLE. // Открытое и дистанционное образование, 2002, №4.

44. Костюкова Н.И., Попков В.К. Математические модели, дидактические и эргономические аспекты разработки автоматизированных обучающих комплексов. // Дистанционное образование, 1999, №6.

45. Краснова Г.А., Савченко П.А., Савченко Н.А. Общие подходы к созданию рационального интерфейса обучающих программ. // Открытое образование, 2001, №6.

46. Кречетников К.Г. Особенности проектирования интерфейса средств обучения. // Информатика и образование, 2002, №4.

47. Кручинин В.В. Разработка компьютерных учебных программ. -Томск: изд-во ТГУ, 1998.

48. Кузнецов С.Д. Турбо Си. М.: МП«МАЛИП», 1992.-79 с.

49. Марченко А.И. Программирование в среде Borland Pascal 7.0. // Киев: ВЕК, ЮНИОР, 1996. 477 с.

50. Мицель А.А. Вычислительная математика: учебное пособие. Томск: изд-во ТМЦЦО, 2001.

51. Мицель А.А., Кориков A.M., Романенко В.В. и др. Основы теории управления. Учебное пособие к электронному учебнику. // Томск: изд-во ТМЦЦО, 2003.

52. Мицель А.А., Романенко В.В. Автоматизированная система разработки электронных учебников. // Открытое образование, 2001, №5. — С. 22-27.

53. Мицель А.А., Романенко В.В., Клыков В.В. Вычислительная математика. Учебное пособие к электронному учебнику. // Томск: изд-во ТМЦЦО, 2002. 125 с.

54. Мицель А.А., Романенко В.В., Клыков В.В. Мультимедийный электронный учебник «Вычислительная математика». // Открытое и дистанционное образование, 2002, №4. С. 82-83.

55. Мицель А.А., Романенко В.В., Клыков В.В. Мультимедийный электронный обучающий курс «Вычислительная математика». // Открытое образование, 2003, №1.

56. Мицель А.А., Шелестов А.А., Романенко В.В. и др. Методы оптимизации. Учебное пособие к электронному учебнику. // Томск: изд-во ТМЦДО, 2003.

57. Монастырев П., Аленичева Е. Этапы создания электронных учебников. //Высшее образование в России, 2001, №5.

58. Моррис С. Visual Fortran. СПб.: Питер, 1998. - 602 с.

59. Никитин В. Технология интенсивной подготовки к экзаменам. http:// nikitinvic.narod.ru/book/contentb.htm

60. Околелов О. Электронный учебный курс. // Высшее образование в России, 1999, №4.

61. Очков В.Ф. Язык программирования GW-BASIC и QBASIC: сравнительное описание. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 75 с.

62. Павличенко Ю.А. Использование языка разметки тестов ЯРТ для создания компьютерных педагогических тестов. // Открытое образование, 2002, №3.

63. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Основы системного анализа.-Томск: изд-во НТЛ, 2001. 396 с.

64. Полат Е.С. Теория и практика дистанционного обучения. // Информатика и образование, 2001, №5.

65. Полякова Т.М., Лобова Н.И., Николаев В.О., Суслов Д.С. Разработка обучающих курсов в среде мультимедиа. // Дистанционное образование, 1997, №1.70. «Прозрачные» системы. // Оборудование, 2001, № 11.

66. Романенко В.В. Общие принципы автоматизации разработки компьютерных учебных пособий в комплексе EduCAD. // Программные продукты и системы, 2003, №2. С. 34-37.

67. Ротмистров Н.Ю. Мультимедиа в образовании. // Информатика и образование, 1994, №4.

68. Соболева Н.Н., Гомулина Н.Н., Брагин В.Е., Мамонтов Д.И., Касьянов О.А. Электронный учебник нового поколения. // Информатика и образование, 2002, №6.

69. Соколов А. Мифы и реалии дистанционного обучения. // Высшее образование в России, 2000, №3.

70. Старов М.И., Чванова М.С., Вислобокова М.В. Психолого* педагогические проблемы общения при дистанционном обучении. // Дистанционное образование, 1999, №2.

71. Страуструп Б. Язык программирования С++. — М.: Бином, 1999. 990 с.

72. Тевелева С.В. Электронный учебник как средство дистанционного обучения. // Информатика и образование, 2000, №8.

73. Тихомиров В.П. Дистанционное образование: история, экономика, тенденции. // Дистанционное образование, 1997, №2.

74. Удальцов С.В. Среда разработки и поддержки систем дистанционного обучения IDLE: технологический аспект. // Дистанционное образование, 1998, №1.

75. Физикон. Образовательное ПО и системы дистанционного обучения. -http://phvsicon.ru

76. Фридман JI.M. Психолого-педагогические основы обучения математике в школе. М.: Просвещение, 1993.

77. Христочевский С. А. Электронные мультимедийные учебники и энциклопедии. // Информатика и образование, 2000, №2.

78. Черносвитов A. Visual С++ и MFC. СПб.: Питер, 2000. - 610 с.

79. Шампанер Г. На рынке обучающих программ. // Высшее образование в России, 1999, №3.

80. Швебер JI., Швебер Э. Авторский инструментарий мультимедиа.// PC Magazine, 1996, №8.

81. Шевелев Ю.П. Автоматизированный самоконтроль в системе,обуче-ния СИМВОЛ. Томск: изд-во ТУСУР, 1996. - 111 с.