автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Информационная среда администратора учебного процесса, реализуемого по дистанционной технологии

На правах рукописи

Соколова Натэлла Юрьевна

Информационная среда администратора учебного процесса, реализуемого по дистанционной технологии

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка

информации

Автореферат диссертации на соискания ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2004

Диссертация выполнена в Московском областном центре новых информационных технологий при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете)

Научный руководитель - кандидат технических наук доцент Игнатова Ирина Гургеновна

Официальные оппоненты:

- доктор физико-математических наук профессор Поспелов Алексей Сергеевич

- кандидат технических наук доцент Нежурина Марина Игоревна

Ведущая организация - Петрозаводский государственный университет

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время вопросы использования информационных и телекоммуникационных технологий в учебном процессе являются приоритетными.

В федеральной целевой программе "Развитие единой информационной образовательной среды (2001-2005 годы)" определена задача: применение новых информационных и телекоммуникационных технологий в учебном процессе. Данная программа предусматривает развитие новых образовательных технологий, в том числе интерактивных дистанционных технологий обучения по программам различных уровней. Реализация данного направления программы предусматривает разработку программных комплексов поддержки и развития учебного процесса.

Кроме этого, в ряде Российских вузов наряду с традиционными технологиями обучения быстро развивается дистанционная технология, которая осуществляется на основании методики применения дастанционных образовательных технологий в учреждениях высшего, среднего и дополнительного профессионального образования, утвержденная приказом Министерства образования РФ от 18.12.2002, №4452.

Особенностью дистанционной технологии обучения является широкое использование достижений информационных технологий, обеспечивающих индивидуализацию процесса обучения, который распределен как по времени, так и в пространстве. С помощью современных телекоммуникационных средств обеспечивается интерактивное взаимодействие всех участников образовательного процесса. Реализация удаленного процесса обучения осуществляется с помощью современных автоматизированных комплексов поддержки удаленного обучения. Для поддержки дистанционного обучения распространение получили оболочки: Learning Space, WebCT, первая отечественная сертифицированная система ОРОКС (оболочка для создания распределенных обучающих и контролирующих систем, сертификат соответствия СТУ 115.005-2000 (РОСИНФОСЕРТ)), которая используется в более чем 20 вузах России, а также системы Аванта, Прометей, eLearning Server 3000, xDLS. В процессе эксплуатации оболочек в течении 5 лет остро встали вопросы автоматизации администрирования, поддержки управления и принятия решений.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

библиотека

SFSWrl

Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности Московского государственного института электронной техники: "Информационные технологии и телекоммуникации", "Исследования по проблемам общего и профессионального образования".

Цель работы и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка информационной среды администратора учебного процесса (ИСАУП), реализуемого по дистанционной технологии.

Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:

1. Исследование структуры и определение задач основных процессов организации и управления обучением в вузе.

2. Исследование способов и методов формализованного представления ИСАУП.

3. Разработка системных моделей программного комплекса ИСАУП.

4. Исследование и разработка архитектуры ИСАУП.

5. Исследование и обоснование выбора программных средств и системы управления базой данных для практической реализации ИСАУП.

6. Разработка программного комплекса ИСАУП и обеспечение его взаимодействия с сетевой программной оболочкой ОРОКС.

7. Разработка методики создания инструментальных средств поддержки процесса обучения, реализуемого по дистанционной технологии.

Методы исследований:

Для достижения поставленной цели и решения задач использовались методы структурного анализа, методология объектно-ориентированного анализа и проектирования, теории множеств, конечных автоматов, графов, баз данных.

Научная новизна.

1. Предложена системная модель программного комплекса ИСАУП, разработанная по объектно-ориентированной методологии.

2. Дано математическое описание модели процесса обучения на основе учебного плана с введением вектора связанности дисциплин и вектора оценок обучаемого.

3. Предложена инженерная методика создания инструментальных средств поддержки работы администратора учебного процесса.

Результаты выносимые на защиту

1. Системные модели ИСАУП

2. Математическое описание учебного плана, дисциплины, принятия решения о дальнейшем ходе обучения.

3. Программный комплекс информационной среды, разработанный на основе системных и математических моделей.

4. Инженерная методика создания инструментальных средств поддержки работы администратора учебного процесса.

Реализация результатов работы:

Результаты работы внедрены в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) на факультете дополнительного и дистанционного обучения;

Академии повышения квалификации и переподготовки работников образования

Практическая значимость.

Разработана методика создания инструментальных средств поддержки системы обучения, реализуемого по дистанционной технологии

Разработано программное обеспечение "Информационная среда администратора учебного процесса" - ИСАУП.

Процесс организации и управления обучением по дистанционной технологии в МИЭТ осуществляется в ИСАУП.

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

- X международная конференция-выставка «Информационные технологии в образовании» («ИТО-2000»), Москва, ноябрь 2000г

- Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Информационные технологии и дистанционное образование», Красноярск, ноябрь2000г

- Всероссийская конференция "Анализ качества образования и тестирования", Москва, март 2001 г

- XI международная конференция-выставка «Информационные технологии в образовании» («ИТО-2001»), Москва, ноябрь 2001 г

- Конференция «Информационные технологии в экономике, науке и образовании», Бийск, апрель2001г

- Международная конференция "Новые информационные технологии в науке, образовании, экономике", Владикавказ, май 2002г

- Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 2002", МИЭТ, 19-21 ноября 2002г

- Информационные технологии в управлении и учебном процессе вуза - Владивосток Изд-во ВГУЭС, 2003,2004

• VI Всероссийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии" -Москва, 23-24 анреля,2003.

- Третья междисциплинарная (медицина, биология, физика, радиоэлектроника, химия, биохимия, математика, информатика, педагогика....) конференция с международным участием -Петрозаводск, 21-23 июня 2004г.

По теме диссертации было опубликовано 19 работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объем диссертации - 166 страницы, из них - 125 страниц основного текста, в том числе 33 рисунка, 13 таблиц. Список литературы содержит 81 наименование.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность научной работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе проведено исследование и представлены результаты анализа автоматизированных сетевых систем поддержки дистанционного обучения. В результате анализа были выделены две основные группы средств: разнородные специализированные средства, которые поддерживают отдельные составляющие процесса обучения и автоматизированные сетевые средства - программные оболочки, которые осуществляют комплексную поддержку процесса удаленного обучения (рис 1).

Анализ проводился по критериям: категории пользователей, электронные курсы, системы тестирования, организация обучения на основе учебного плана специальности, организация интерактивного взаимодействия, администрирование учебного процесса, технологические платформы, использование международных стандартов.

Рис. 1 Классификация инструментальных средств поддержки ДО Анализ проводился с целью определения "узких" мест существующих автоматизированных сетевых систем поддержки обучения на основе информационных технологий с точки зрения организации и управления учебным процессом вуза. В автоматизированных сетевых оболочках не возможно отследить этапы обучения, которые должны быть выполнены в соответствии с учебным планом, не поддерживается управление учебным процессом, отсутствуют возможности выработки управляющего воздействия на обучаемого, не поддерживается документооборот процесса обучения, присущий высшему учебному заведению.

В заключении главы определены основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлены результаты исследования предметной области, определены и описаны основные процессы управления обучением в вузе, дано математическое описание модели процесса обучения на основе учебного плана, формирование индивидуальной траектории обучения дисциплины, принятия решения о дальнейшем ходе обучения, описаны разработанные системные модели ИСАУП.

На основе анализа двух методологий моделирования программных систем, позволяющих проводить декомпозицию системы, в качестве способа определения основных процессов и декомпозиции их на задачи выбрана структурная методология, в качестве способа

проектирования системы определена объектно-ориентированная методология.

Основой для разработки модели первого уровня, а именно, описания и определения основных процессов управления обучением послужила разработанная информационно-организационная схема вуза, на которой отображены структурные подразделения, задействованные в учебном процессе, с циркулирующими потоками информации, изображенными в виде направленных дуг. Введение в качестве структурного элемента объекта обучения - студента позволило получить наиболее полные представления о циркулирующих потоках информации и документообороте. Это дало также возможность выделить документы, сопровождающие управление обучением.

Для декомпозиции основных процессов были построены DFD диаграммы, которые позволили определить задачи предметной области, задачи для автоматизации в ИСАУП, а также требования, предъявляемые к ИСАУП. В результате проведенной декомпозиции была построена иерархическая структура процессов и задач (рис. 2) и общая схема программного комплекса ИСАУП.

Математическое описание модели управления обучением (модель второго уровня) на основе учебного плана специальности, формирования индивидуальной траектории обучения и принятия решения о дальнейшем ходе обучения выполнено с использованием теории множеств, графов и конечных автоматов.

Целью математического описания было определение основных параметров процесса обучения и изучение свойств с точки зрения управления обучением на основе учебного плана и дисциплины.

Учебный план специальности можно представить как

где

- множество, изучаемых дисциплин,

п - количество дисциплин учебного плана специальности;

в- вектор связанности дисциплин.

СНёьБг,•••.&.]> где &6 [0,п) п-количество дисциплин из Ри

Рис. 2. Иерархическая структура функциональных задач в

ИСАУП

Индивидуальные характеристики обучения сгруппированы в учебных планах, разбитых по временным периодам - семестрам. Модель учебного плана семестра к-го студента - это Рк={Б'ь Ри,Р},

О'к- множество дисциплин семестрового плана к-го студента, Ри - учебный план специальности,

Б - алгоритм принятия решения о включении дисциплины (1, еОтГв множество дисциплинО'^. Р:Р'1->Р1к

Т.к. учебный план семестра является фрагментом учебного плана специальности, то

Дисциплина определяется весом дисциплины V, множеством занятий дисциплины Ь, связанностью занятий Я и алгоритмом генерации индивидуальной траектории обучения И: Б={у,Ь,11,11}

При генерации индивидуального учебного плана семестра и формировании индивидуальной траектории обучения по дисциплине необходима информация о результатах обучения к-го студента.

Введем вектор оценок М, в котором ьая оценка соответствует ой дисциплине.

Алгоритм принятия решения о включении дисциплины d, £ D, i€ [1,/] в множество дисциплин D'k включает следующие положения:

1. Из множества дисциплин D учебного плана Ри в первую очередь выбираются дисциплины с весом равным наименьшему весу Vf^Vmin неизученных дисциплин, т.е. те дисциплины, по которым у студента нет оценок т^О и студент на предыдущем этапе обучения изучал дисциплину, связанную с данной modi Ф 0.

2. Если количество выбранных дисциплин к меньше /, (k< I), то из D в список дисциплин включаются дисциплины не связанные с другими дисциплинами, но имеющие Vi^mh,и ШоапО

3. Если количество выбранных дисциплин к меньше I, (k< I), вес выбираемых далее дисциплин увеличивается на 1: и выполняются действия п.п. 2-3 пока исходный список дисциплин не будет пуст.

Данный алгоритм формализовано описывается с помощью двух функций:

yj(v)= id«' ПрК i4Sn И (v = vmin и mdi " 0 и mGd. [f2(v + l), при i>n и к<1

/z(v)= Jdi' ПРИ " (v = vmin Hmdi =0ltmGdi =°)

[f2(v + l), при i>n и k<l Таким образом, F={fi,f2}.

Как отмечалось выше, дисциплина представляет собой четверку:

0={у,ЬД,и>

v - вес дисциплины (семестр);

L - множество занятий;

R - матрица смежности;

U - алгоритм формирования индивидуальной траектории обучения по дисциплине.

Матрица смежности Я показывает связь между занятиями дисциплины и возможные пути перехода от занятия

В работе рассмотрены частные случаи для значений матрицы смежности R, которая описывает структуру дисциплины: линейно-последовательную, линейно-произвольную, древовидную.

Алгоритм формирования индивидуальной траектории обучения заключается в анализе текущего состояния обучения и результатах обучения студента и выборе дальнейшего пути.

Процесс принятия решения о дальнейшем ходе обучения описан с помощью теории конечных автоматов

Пусть S - множество состояний студента 1=1,2,3,4

R - множество результатов обучения. 11= 1^011,,, где Ик -множество результатов по контрольным мероприятиям, проводимым в течении семестра, Я,, - множество результатов по экзаменам.

В процессе обучения студент может находиться в одном из состояний (рис.3):

Бх -поступление в институт; Бг - обучение в течении семестра до сессии; Бз - сдача зачетно-экзаменационной сессии; 84 - отчисление из института (окончание обучения, отчисление до окончания).

Переход в одно из состояний осуществляется на основе анализа текущего состояния обучения.

Переход из состояния Б1 в состояние Бг осуществляется при успешной сдаче вступительных экзаменов и принятии решении приемной комиссии о зачислении студента в вуз.

Рис.3. Состояния обучения студента

211

с 3 "Р°х Ч ~ Ч 2

Переход из состояния выполняется по

истечении срока обучения в семестре и положительных результатах промежуточной аттестации студента.

Ry a, ¡—i,n

где t;

St

сем

- время пребывания

студента в текущем семестре, t,

сем

нормативная продолжительность

одного семестра.

Переход в состояние возможен из состояний если

сроки пребывания в одном из состояний истекли и результаты

„ 1=1,п/2

аттестации 4st

S3-

неудовлетворительные & 1Ы«2, i=l,k

->S4

>S4

сессии

,st

осуществляется переход из & RaiSS, i=l,k

->s2

При успешной сдаче

состояния в состояние

В любой момент времени t выполняется мониторинг состояния обучения и вырабатывается управляющее воздействие на студента.

В Главе 2 представлены результаты системного моделирования ИСАУП, цель которого - формализованное представление программной системы, изучение динамики поведения системы. В работе проведено системное моделирование ИСАУП по объектно-ориентированной методологии на языке моделирования UML(Unified Modeling Language) в среде Rational Rose.

Моделирование основных процессов позволило определить варианты использования (прецеденты) ИСАУП и установить взаимосвязь прецедентов с актерами - пользователями системы. В результате проведенного моделирования построены диаграммы прецедентов, при разработке которых использованы результаты, полученные при разработке модели первого уровня.

Из-за сложности восприятия диаграммы прецедентов, обусловленной большим количеством прецедентов и связей между прецедентами и актерами, диаграмма прецедентов организована по пакетам (рис.4). Каждому пакету соответствует процесс, определенный при разработке модели первого уровня. Диаграмма прецедента "Реализация процесса обучения" была разбита на два пакета: "Контроль и принятие решение о дальнейшем ходе обучения" и "Документирование процесса обучения".

Прием и зачисление абитуриентов

Подготовка учебного процесса

Контроль и принятие решения о дальнейшем ходе обучения

Документирование процесса обучения

Рис.4. Пакеты диаграммы прецедентов

Информационно-логическая модель данных системы администрирования учебного процесса описана с помощью диаграммы классов. При разработке диаграммы классов были учтены, выявленные на этапе разработки модели первого уровня, понятия предметной области и требования к ИСАУП. В информационно-логической модели данных отражена следующая специфика предметной области:

1. Интеграция в электронном плане специальности следующих компонентов: электронных ресурсов поддержки удаленного обучения, траекторий обучения по дисциплинам, графиков обучения. Необходимо предусмотреть индивидуальную настройку сроков начала обучения.

2. Формирование индивидуального плана обучения на текущий период временного интервала - семестра обучения. Такой план должен наследовать все свойства электронного учебного плана специальности.

3. Необходимо хранить в централизованной базе данных все результаты деятельности удаленных пользователей системы.

В работе была использована возможность языка "СШЬ организации диаграмм по пакетам, что позволило организовать по пакетам и диаграмму классов. Объединение было выполнено по функциональному назначению прецедентов. Диаграмма классов пакета "Обучение" представлена на рис.5.

Информационно-логическая модель данных ИСАУП явилась основой для разработки схемы БД. Введение ассоциативных классов, а также дополнительных атрибутов в классы-родители позволило осуществить преобразование структуры информационно-логической модели с целью соотнесения классов с таблицами реляционной СУБД.

Рис. 5. Диаграмма классов пакета "Обучение" В работе предложена методика проверки соответствия созданной схемы БД требованиям, предъявляемым к системе, на основе проверки возможности получения данных и определении пути доступа к ним. Использование сообщений, которые отображаются на кооперативных диаграммах, в качестве операторов запроса к БД позволило уже на этапе проектирования определить возможные запросы к БД. (рис.6).

В третьей главе представлены результаты исследования архитектуры информационных сетевых систем, методов обработки данных, языков программирования приложений для сетевых информационных систем, Web серверов, систем управления базами данных.

Рис.6 Кооперативная диаграмма прецедента "Получить список студентов"

ИСАУП представляет собой программный комплекс, для разработки архитектуры которого был проведен анализ клиент-серверной архитектуры, исследованы методы передачи данных на стороне сервера и на стороне клиента, проанализированы языки программирования Web приложений, web сервера, серверы СУБД. Анализ проводился по следующим критериям:

- Бесплатная лицензия на инструментальные средства

- Производительность

- Поддержка многоплтформенности

- Централизованное хранение данных

- Поддержка разработки web приложений

- Организация доступа к БД через Web интерфейс Показано, что трехуровневой клиент-серверная архитектура

предпочтительнее двухуровневой, по следующим позициям:

- не требуется дорогостоящего аппаратного оборудования на стороне клиента,

- централизация бизнес логики для многих пользователей на одном сервере приложения. При этом исключается необходимость развертывания программного обеспечения на множестве компьютеров,

- дополнительная модульность упрощает модификацию или замену программного обеспечения для каждого уровня, не оказывая влияния на остальные уровни,

- отделение логики приложения от функций БД упрощает задачу равномерного распределения нагрузки.

На основе сравнительного анализа CGI (Common Gateway Interface) сценариев и его дополнений SSI, файлов cookies протокола HTTP, API (Application Programming Interface) модулей расширений и сервлетов был выбран в качестве интерфейса по обработке данных на стороне сервера - CGI интерфейс. Данный интерфейс широко распространен для разработки Web приложений, не зависит от языка программирования и обеспечивает простоту выполнения приложения на стороне клиента.

Анализ языков программирования для разработки Web приложений C++, Java, Perl, PHP позволил выбрать в качестве языка программирования Perl, который удовлетворяет следующим требованиям: платформенно-независимость, большой набор дополнительных функций, взаимодействие с базами данных, встраивание кода программы в HTML документ, свободное распространение интерпретатора.

На основе анализа Web-серверов iPlanet, Internet Information Server и Apache Server был выбран Apache Server в качестве Web сервера ИСАУП. Данный сервер обладает: высокой

производительностью, надежностью в работе, работающий под платформами Linux, Unix, Windows, Solaris и др., и является свободно распространяемым продуктом.

Характеристики My SQL, по сравнению с серверами СУБД Oracle, DB2SQL Server, Informix, такие как: свободное распространение, простота администрирования, быстродействие, многопользовательский доступ, возможность разработки Интернет систем, наличие интерфейса с языками программирования, наличие эффективной системы безопасности позволили выбрать СУБД My SQL для реализации сервера базы данных информационной среды администратора учебного процесса

Сформированная трехуровневая архитектура ИСАУП представлена на рис.9

В работе рассмотрены вопросы программной реализации ИСАУП, которая включает две составляющие - генерация схемы базы данных и программного кода ИСАУП. Предложен способ генерации схемы БД с помощью средств Rational Rose.

Условием внедрения ИСАУП была необходимость стыковки с программной оболочкой поддержки системы дистанционного обучения ОРОКС. Встраивание ИСАУП в ОРОКС реализована с помощью подсистемы подключения плагинов, являющейся составной частью

ОРОКС. С учетом встраивания ИСАУП в ОРОКС серверная часть архитектуры ИСАУП была дополнена.

Рис.9 Архитектура информационной среды администратора учебного процесса

В четвертой главе представлены этапы разработки ИСАУП и описана методика разработки инструментальных средств поддержки процесса администрирования обучения по дистанционной технологии, с учетом специфики учебного заведения.

Создание ИСАУП определило следующую последовательность этапов разработки:

1. Моделирование основных процессов предметной области -управления обучением.

1.1. Построение информационно-организационной схемы с введением в качестве структурного элемента - объекта обучения-студента.

I.2. Построение иерархической структуры функциональных задач ИСАУП на основании проведенной декомпозиции основных процессов предметной области с помощью DFD диаграмм структурного анализа. Определение требований, предъявляемых к ИСАУП.

Выделенные основные процессы и задачи предметной области, а также сформулированные требования к ИСАУП используются:

для организации диаграммы прецедентов по пакетам (п.3.1.

данного перечня),

при выявления прецедентов (п.3.1.),

при разработке информационно-логической структуры данных (п.3.2.).

2. Разработка второго уровня модели. Математическое описание основных компонентов процесса обучения - обучение на основе учебного плана, обучение по дисциплине и принятие решения о дальнейшем ходе обучения.

3. Системное моделирование программного комплекса ИСА УП

I. Представление ИСАУП на языке UML объектно-ориентированнойметодологии.

3.1. Разработка диаграммы прецедентов, включающая определение вариантов использования ИСАУП и составление расширенного описания прецедентов. Расширенное описание прецедентов используется на этапе 3.3. для проверки соответствия разработанной схемы БД требованиям к ИСАУП, определенным на этапе 1.2.

3.2. Разработка информационно-логической структуры базы данных с помощью диаграммы классов.

3.3. Проверка соответствия разработанной схемы БД требованиям, предъявляемым к ИСАУП (п. 1.2), и разработка карт транзакций на основе кооперативных диаграмм.

II. Программная реализация

3.4. Разработка архитектуры программной системы

3.4.1. Выбор языка программирования.

3.4.2. Выбор web-сервера.

3.4.3. Выбор сервера СУБД.

3.4.4. Представление архитектуры ИСАУП.

3.5. Кодирование и отладка информационной среды. 3.5.1. Генерация схемы БД.

3.5.2. Генерация программного кода

3.5.3. Уточнение серверной части ИСАУП

3.6. Тестирование.

3.7. Апробация и внедрение.

В работе приводятся основные положения, отличающие последовательность этапов разработки ИСАУП от традиционной технологии разработки программного обеспечения, а именно:

1. Введением в информационно-организационную схему вуза в качестве структурного компонента - объекта обучения - студента, что позволяет на этапе анализа определить типы основных потоков информации и документов. Информационно-организационная схема является базой для определения основных процессов и задач системы.

2. Для определения основных процессов управления обучением и задач для реализации в ИСАУП, моделируемой по объектно-ориентированной методологии, использован метод структурной декомпозиции "сверху-вниз".

3. Использование кооперативных диаграмм для проверки соответствия схемы БД функциональным требованиям, предъявляемых к ИСАУП, и разработке карт транзакций с использованием сообщений, отображаемых на кооперативных диаграммах.

4. В методике представлена технология генерации конструкций СУБД My SQL с помощью конструкций Oracle среды Rational Rose.

В заключении главы описана методика создания инструментальных средств поддержки администрирования учебного процесса, реализуемого по дистанционной технологии. В методике даны рекомендации по уточнению моделей предметной области с учетом специфики учебного заведения.

В заключении приводятся основные выводы и результаты

работы.

В приложениях приведены результаты сравнительного анализа инструментальных средств поддержки удаленного процесса обучения, которые систематизированы в таблицах, текст плагина "Фиксация результатов обучения в учебной карточке студента" на языке Perl, акты о внедрении результатов диссертационной работы.

Основные результаты диссертационной работы

1.Проведено исследование предметной области, выделены основные процессы управления обучением и определены их задачи.

2.Проведено моделирование основных процессов ИСАУП и поведения данных системы. Разработана информационно-логическая модель данных.

3.Даны математические описания моделей учебного плана, дисциплины на основе теории множеств и графов. Продемонстрированы возможности и примеры использования моделей.

5.Создана ИСАУП, которая реализована в виде программного комплекса.

6.Предложена методика создания инструментальных средств ИСАУП.

Список публикаций:

1. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Электронный учебный план как основа интеграции компьютерных средств обучения в системе ОРОКС.

- Открытое образование, №3, 2004, с.51-54.

2. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Проектирование базы данных для информационных систем поддержки управления удаленным обучением.

- Проектирование и технология электронных средств, №3,2003, с.47-51.

3. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Инструментальные средства поддержки обучения на основе сетевых технологий. - Информатика и образование, №3, 2003, с.52-б1.

4. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Информационная подсистема автоматизации документооборота удаленного процесса обучения. -Третья междисциплинарная (медицина, биология, физика, радиоэлектроника, химия, биохимия, математика, информатика, педагогика...) конференция : Материалы конференции - Петрозаводск: Изд. ПТУ, 2004, с. 75.

5. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Управление обучением на основе анализа результатов учебной деятельности при сетевой технологии обучении - Новые информационные технологии: Сборник трудов VI Всероссийской научно-технической конференции (Москва, 23-24 апреля,2003). В 2-х томах. Т.2/ Под общ. Ред. А.П. Хныкина. -М.:МГАПИ,2003, с. 10-11.

6. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Управление удаленным обучением студентов в вузе на основе системы ОРОКС - Информационные технологии в управлении и учебном процессе вуза: Материалы 3-й

Всероссийской очно-заочной научно-практической конференции. -Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2004, с. 101-102.

7. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Использование информационных технологий при автоматизации работы приемной комиссии -Информационные технологии в управлении и учебном процессе вуза: Материалы 3-й Всероссийской очно-заочной научно-практической конференции. - Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2003, с.84

8. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Опыт обучения преподавателей по использованию коллекций описаний информационных ресурсов в учебном процессе - Информационные технологии в управлении и учебном процессе вуза: Материалы 3-й Всероссийской очно-заочной научно-практической конференции. - Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2004, с. 100.

9. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Информационная поддержка в системе администрирования учебного процесса - Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 2002", МИЭТ, 19-21 ноября 2002, с.101.

10. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Способ хранения информации и генерация отчетов о взаимодействии преподавателей и студентов -Международная конференция "Новые информационные технологии в науке, образовании, экономике", Владикавказ, май 2002, с. 16-17.

11. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Методические особенности разработки электронно-контролирующих модулей - Конференция «Информационные технологии в экономике, науке и образовании», Бийск, апрель 2001, 165-166

12. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Использование интерактивного контроля знаний для реализации индивидуального обучения по дистанционной технологии - Конференция «Информационные технологии в экономике, науке и образовании», Бийск, апрель2001, с. 167-168

13. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Принцип подключения активных компонентов в виде специализированных обучающих программ через информационно - образовательную среду на базе ОРОКС - XI международная конференция-выставка «Информационные технологии в образовании» («ИТО-2001»), Москва, ноябрь 2001г. Тезисы докладов. Часть III, с. 138.

14. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Использование прикладных информационных ресурсов при выполнении лабораторных работ и практических занятий по курсу "Электротехника" - XI международная

конференция-выставка «Информационные технологии в образовании» («ИТО-2001»), Москва, ноябрь 2001г. Тезисы докладов. Часть III, с. 2829

15. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Использование тестирования для управления траекторией индивидуального обучения - Всероссийская конференция "Анализ качества образования и тестирования", Москва, март 2001г, с. 141-143.

16. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Организация дистанционного обучения в МИЭТ на базе региональных представигельств -Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Информационные технологии и дистанционное образование»,Красноярск, ноябрь 2000, с. 18.

17. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Обеспечение дистанционного обучения комплектом электронных учебно-методических пособий со встроенным контролем - Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Информациокпыг технологии и дистанционное образование», Красноярск, ноябрь2000г, с. 26

18. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Учебно-контролирующий модуль по программированию - конференция-выставка «Информационные технологии в образовании» («ИТО-2000»), Москва, ноябрь 2000г. Тезисы докладов. Часть III, с.54.

19. Игнатова И.Г., Соколова Н Ю. Опыт тестирования школьников по математике и физике - X международная конференция-выставка «Информационные технологии в образовании» («ИТО-2000»), Москва, ноябрь 2000г. Тезисы докладов. Часть П., с.335.

Формат 60x84 1/16. Уч.-юд.лТираж^экз. ЗаказМГ

Отпечатано в типофафии ИПК МИЭТ 124498, Москва, МИЭТ.

124 2 55

270

Введение

Глава 1. Исследование и анализ инструментальных средств поддержки дистанционного обучения

1.1. Анализ инструментальных средств поддержки полномасштабного процесса обучения; реализуемого по дистанционной технологии обучения

1.2. Постановка задачи диссертационной работы

1.3. Выводы по Главе 1.

Глава 2. Системное моделирование ИСАУП 27 2.1. Определение и описание основных процессов управления обучением в вузе (первый уровень модели)

2.1.1. Анализ методик формализованного представления предметной области и программной системы

2.1.2. Иерархическая структура функциональных.процессов предметной области

2.2 Математическое описание моделей основных процессов обучения (второй уровень модели) 50' 2.2.1. Математическое описание генерации индивидуальной программы обучения текущего семестра на основе теории множеств 50 2.2.2 Математическое описание определения индивидуальной траектории бучения по дисциплине с использованием теории графов 54 2:2:3 Математическое описание модели процесса принятия решения о дальнейшем ходе обучения с помощью теории конечных автоматов

2.3. Системные модели ИСАУП (третий уровень модели).

2.3.1. Моделирование поведения ИСАУП на основе диаграммы прецедентов

2.3.2. Информационно- логическая модель ИСАУП

2.3 .3 : Моделирование поведения данных системы на основе диаграмм взаимодействий

2.4. Выводы по Главе

Глава 3. Исследование и разработка архитектуры ИСАУП

3.1. Исследование архитектуры информационных систем

3.2. Технологии передачи и обработки данных

3.2.1. CGI интерфейс по передаче данных

3.2.2. Обработка данных на стороне сервера с использование сервлетов

3.2.3. Обработка данных на стороне клиента i - ■»

3.3. Анализ и выбор языка программирования для разработки Web

Актуальность проблемы. В настоящее; время вопросы, использования информационных и телекоммуникационных технологий > в учебном процессе являются приоритетными.

В федеральной целевой программе "Развитие единой информационной образовательной? среды (2001-2005 годы)" определена задача: применение; новых информационных и телекоммуникационных технологий, в; учебном * процессе. Данная программа предусматривает развитие новых образовательных технологий; в том числе интерактивных дистанционных технологий! обучения; по программам различных уровней; Реализация данного направления программы: предусматривает разработку программных комплексов поддержки и развития учебного процесса.

Кроме этого, В" ряде Российских вузов наряду с традиционными» технологиями обучения быстро развивается: дистанционная; технология; которая осуществляется на основании методики применения дистанционных образовательных технологий в учреждениях высшего, среднего и дополнительного профессионального образования, утвержденная приказом? Министерства образования РФ от 18:12.2002, №4452:

Особенностью дистанционной технологии обучения является широкое использование достижений информационных технологий, обеспечивающих индивидуализацию процесса, обучения, который: распределен как по времени, так и в пространстве. С помощью современных телекоммуникационных средств обеспечивается интерактивное взаимодействие всех участников: образовательного процесса. Реализация удаленного процесса обучения» осуществляется с помощью современных автоматизированных; комплексов поддержки удаленного5 обучения. Для поддержки дистанционного обучения? распространение получили • оболочки: Learning Space, WebCT, первая < отечественная сертифицированная системам

ОРОКС (оболочка для создания распределенных обучающих и контролирующих; систем, сертификат соответствия СТУ 115.005-2000 (РОСИНФОСЕРТ)), которая используется»в более чем 20 вузах России, а также системы Аванта, Прометей, eLearning Server 3000, xDLS. В процессе ф эксплуатации оболочек в течении 5 лет остро встали вопросы! автоматизации администрирования, поддержки управления; и принятия решений.

Работа выполнена: в соответствии с основными направлениями? научной» деятельности Московского государственного института электронной техники: "Информационные технологии и телекоммуникации", "Исследования по проблемам общего и профессионального образования".

Цель работы и задачи исследования. ф Целью диссертационной работы является разработка информационной среды администратора учебного процесса; (ИСАУП), реализуемого по дистанционной технологии.

Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:

1. Исследование структуры и? определение задач основных процессов организации и управления обучением в вузе.

2. Исследование способов и методов формализованного представления ф исауп;

3: Разработка системных моделей программного комплекса ИСАУП.

4: Исследование и разработка архитектуры ИСАУП;

5. Исследование и обоснование выбора; программных средств и системы управления базой данных для практической реализации ИСАУП.

6. Разработка программного комплекса ИСАУП и обеспечение его взаимодействия с сетевой программной оболочкой ОРОКС.

7. Разработка методики создания инструментальных средств поддержки ® процесса обучения, реализуемого по дистанционной технологии.

Методы исследований:

Для достижения поставленной цели и решения задач использовались методы структурного анализа, методология объектно-ориентированного анализа и проектирования, теории множеств, конечных автоматов, графов, баз данных.

Научная новизна.

1. Предложена системная модель программного комплекса ИСАУП, разработанная по объектно-ориентированной методологии.

2. Дано математическое описание модели процесса обучения на основе учебного плана с введением вектора связанности дисциплин и вектора оценок обучаемого.

3. Предложена инженерная методика создания инструментальных средств поддержки работы администратора учебного процесса

Результаты выносимые на защиту

1. Системные модели ИСАУП.

2. Математическое описание учебного плана, дисциплины, принятия решения о дальнейшем ходе обучения.

3. Программный комплекс информационной среды, разработанный на основе системных и математических моделей.

4. Инженерная методика создания инструментальных средств поддержки работы администратора учебного процесса.

Реализация результатов работы:

Результаты работы внедрены в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) на факультете дополнительного и дистанционного обучения;

Академии повышения квалификации и переподготовки работников образования

Практическая значимость.

Разработана методика создания инструментальных средств поддержки системы обучения, реализуемого по дистанционной технологии

Разработано программное обеспечение. "Информационная среда администратора учебного процесса" - ИСАУП.

Процесс организации и управления обучением по дистанционной технологии в МИЭТ осуществляется в ИСАУП.

4.3. Выводы по Главе 4.

В Главе 4 представлены этапы разработки ИСАУП и описана методика создания инструментальных средств поддержки администрирования учебного процесса, реализуемого по дистанционной технологии.

1. Представлены основные отличия этапов разработки инструментальных средств поддержки администрирования от традиционной технологии разработки программного обеспечения.

2. В методике создания инструментальных средств поддержки администрирования учебного процесса, реализуемого по дистанционной технологии:

2.1.Даны рекомендации по уточнению модели первого уровня с учетом специфики учебного учреждения и созданию системных моделей в среде Rational Rose. 2.2.Определены основные критерии при выборе архитектуры и инструментальных средств разработки программного комплекса ИСАУП.

2.3.Даны рекомендации по генерации схемы БД и программного кода инструментальных средств в среде Rational Rose.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К основным результатам работы можно отнести следующие:

1. Проведен анализ существующих сетевых автоматизированных инструментальных средств поддержки дистанционного обучения. Анализ проводился по следующим критериям: категории пользователей, электронные курсы, системы тестирования, организация обучения на основе учебного плана специальности, организация интерактивного взаимодействия, администрирование: учебного процесса, технологические платформы, использование международных стандартов.

2. Сформулированы "узкие" места проанализированных автоматизированных сетевых систем поддержки дистанционного обучения с точки зрения организации и управления учебным процессом вуза, что позволило определить основные требования, предъявляемые к системе ИСАУП.

3. Дано обоснование выбора структурной методологи;/ для построения модели первого уровня и выбора средства представления модели - ОРЭ диаграммы, а также языка моделирования ЦМЬ объектно-ориентированной методологии для разработки информационно-логической модели программной системы, а также изучения динамики поведения данных.

4. Проведено исследование предметной области, выделены с использованием методов структурного анализа основные процессы управления, обучением, определены задачи для их автоматизации в ИСАУП, сформулированы функциональные требования, предъявляемые к ИСАУП. Результаты декомпозиции представлены в виде иерархической структуры функциональных процессов и общей структуры программного комплекса ИСАУП.

5. Проведено математическое описание управления обучением на основе учебного плана специальности, учебного плана семестра, дисциплины с помощью теории множеств, теории графов, а также процесса принятия решения о дальнейшем ходе обучения с использованием теории конечных автоматов. Продемонстрированы возможности и примеры использования моделей.

6. Разработана диаграмма прецедентов, описывающая варианты использования ИСАУП.

7. Разработана информационно-логическая модель данных системы с учетом специфики учебного процесса по дистанционной технологии, которая описана с помощью диаграммы классов.

8. Предложена методика проверки соответствия схемы БД функциональным требования, предъявляемым к ИСАУП.

9. Определены критерии для анализа языков программирования Web приложений, Web-серверов, серверов СУБД.

10. Предложен способ генерации схемы БД в среде Rational Rose.

11. Представлена структура серверной части системы дистанционного обучения, реализованная на базе системы ОРОКС, которая предоставляет возможность подключения ИСАУП с помощью подсистемы подключаемых модулей.

12. Реализован программный комплекс ИСАУП, встроенный в сетевую программную оболочку поддержки системы дистанционного обучения ОРОКС.

13. Предложена методика создания с учетом специфики конкретного учебного заведения инструментальных средств поддержки администрирования учебного процесса, реализуемого по дистанционной технологии.

1. Автоматизированные информационные системы. Криницкий H.A., Миронов Г.А., Фролов Г.Д./ Под ред; A.A. Дородницына.- М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982.

2. Антонюк Д.А., Попов С.Н. Методика построения мультимедийного курса на основе дистанционного компьютерного обучения студентов.-Открытое образование №1,2004.

3. Боггс У.Боггс Mi UML и Rational Rose: Пер. с англ.- М.: "ЛОРИ", 2001.

4. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с; примерами приложений на С++, 2-е изд./Пер. С англ. М.: "Издательство Бином!1, СПб.: "Невский диалект", 1999.

5. Буч Г., Рамбо Д., джекобсон А. Язык UML. Руководство пользователя: Пер. с англ.- М.: ДМК,2000.

6. Вендеров А.М. Проектирование программного обеспечения, экономических информационных систем: Учебник.- М.: Финансы и статистика, 2000.

7. Винкоп С. Использование Microsoft SQL Server 7.0. Пер. с англ.-К.;М.;СПб.: Издательский дом "Вильяме", 1999.

8. Власов A.B., Лыткин С.Л:, Яковлев В.Л. Краткое практическое руководство разработчика информационных систем на базе СУБД Oracle www.citforum.ru/database/oraclepr/index.shtml.

9. Высшая школа. /Под ред. Е.И. Войленко. Сб. основных постановлений, приказов и инструкций. В 2-х частях. 4.1,11. М.: "высшая школа", 1978;

10. Ю.Гнатуш А. CASE-технологии: что, когда, как?-1Т Manager, №6, 20041

11. Горбаченко И.М. Методы моделирования процесса общения и разработке интерактивных обучающих курсов: Диссертация на соискание ученой степени к.т.н.: 05.13.01-Красноярск,2001.

12. Грачев А. Объектно-реляционная СУБД Informix Universal Server -СУБД, №1-2,1998;

13. Грегори Йеркс, Ахмед Абуалсемид. Лучшие среды разработки Web-npmiOHceHHñ.-http://prosto.pp.ru.

14. Демин В.М. и др. Разработка моделей системы анализа учебного процесса- Проектирование и технология электронных средств, №1,2002.

15. Деревнина А.Ю., Кошелев М.Б., Семикин В:А. Принципы создания электронных учебников. Открытое образование, №2, 2001, с.14-17.

16. Документация на MySQL -/wvvw.citforum.ru/database/mysqldoc/index.shtml.

17. Дуплик C.B. Подсистема решателя задач в системе компьютерного обучения.- Открытое образование №5, 2003.

18. Елашкин М. Сервер Oracle: текущее состояние -www.citforum.ru/database/articles/oracleov.shtml.

19. Елманова H. DB2 Universal Database Компьютер Пресс, №9,2001,

20. Елманова Н. Средства разработки Java приложений. Компьютер Пресс№8,2003.

21. Жуков В. Разработка электронных курсов: обзор программных средств, е- Leming Word, №1, 2004.

22. Иванова Е., Вершинин М. Java 2, Enterprise Edition. Технология проектирования и разработки. СПб.: БХВ-Петербург, 2003.

23. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Инструментальные средства поддержки обучения на основе сетевых технологий. Информатика и образование, №3,2003, с.52-61.

24. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю; Информационная поддержка в системе администрирования учебного процесса Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 2002", МИЭТ, 19-21 ноября 2002, с. 101.

25. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Использование интерактивного контроля знаний для реализации индивидуального обучения по дистанционной технологии Конференция «Информационные технологии в экономике, науке и образовании», Бийск, апрель2001, с.167-168.

26. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Использование тестирования для управления траекторией индивидуального обучения Всероссийская конференция "Анализ качества образования и тестирования", Москва, март2001г, с. 141-143.

27. Г.Игнатова И Г., Соколова Н.Ю. Методические особенности разработки электронно-контролирующих модулей Конференция «Информационные технологии в экономике, науке и образовании», Бийск, апрель 2001,165-166.

28. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Проектирование базы данных для информационных систем поддержки управления удаленным обучением. Проектирование и технология электронных средств, №3, 2003, с.47-51.

29. Игнатова И.Г., Соколова Н.Ю. Способ хранения информации и генерация отчетов о взаимодействии преподавателей и студентов

30. Международная конференция "Новые информационные технологии в науке, образовании, экономике", Владикавказ, май 2002, с. 16-17.

31. Игнатович H. Интеграция технологий управления данными в DB2. Открытые системы, №7-8, 2001.

32. Использование технологий WWW для доступа к базам данных. -ЦНИТ НГУ www. citforum.ru/database/cnit/index. shtml.

33. Клоуд П., Норт Д., Мэйфилд М. Стратегии, шаблоны и приложения/Пер. с англ.-М.: "ЛОРИ", 1999.

34. Коннолли Т., Бегг К., Страчан А. Базы данных: проектирование, реализация, сопровождение. Теория и практика, 2-е изд.: Пер. с англ.: Уч. пос.- М.: Издательский дом "Вильяме", 2000.

35. Кострова В.Н. Системный подход к оптимизации и моделированию последовательности обучения в вузе.- Проектирование и технология электронных средств, №4, 2002.

36. Кошелев А. Общее и частное о Web-серверах.-КомпьютерПресс, №8, 2000.

37. Кустов В. Руководство администратора баз данных Informix-www.citforum.ru/database/informix2/index. shtm.

38. Ларман К. Применение UML и шаблоны проектирования.: Пер. с англ.: Уч. пос. -М.: Издательский дом "Вильяме", 2001.

39. Леоненков A.B. Самоучитель UML. СПб:: БХВ-Петербург,2001

40. Любарский Ю.Я. Интеллектуальные информационные системы,-М.:Наука, 1990.

41. Маклаков С.В; Моделирование бизнес-процессов с Bpwin 4.0-М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2002:

42. Малишевский А.В; Качественные модели в теории сложных систем.-М.: Наука, физматлит,1998.

43. Малыхин В.И.Социально-экономическая структура общества: Математическое моделирование.-М.:ЮНИТИ, 20031

44. Норенков И.П. Системные вопросы дистанционного обучения.-Информационные технологии, 2001 ,№3.

45. Павличенко Ю.А. Хатьков Н.Д. Автоматическое формирование индивидуального учебного курса. Открытое образование, №5, 2001.

46. Печенкин А. Организация выбора программного решения для электронного обучения, е- Leming Word- №1,2004.

47. Пэтчетг К., РайтМ: CGI/Perl: создание программ для Web: Пер. с англ.-К.:Издательская группа BHV, 2000.

48. Райордан Р. Основы реляционных баз данных/ Пер; с англ -М.:Издательско-торговый дом "Русская редакция",2001.

49. Рамбо Д., джекобсон А. Язык UML. Руководство пользователя: Пер. с англ.- М : ДМК,2000.5

50. Руководство по PHP 3.0 wwwxitforum.ru/internet/php3/index.shtml

51. Самарский A.A., Михайлов А.П. Математические модели.: Идеи. Методы. Примеры.-2-е изд., испр.-М::Физматлит,2002.бГ.Тиори Т., Фрай Дж. Проектирование структур баз данных: В 2-х кн. Кн.1. Пер. с англ.- М:: Мир, 1986.

52. Типовое положение об образовательному чреждении высшего профессионального образования (высшем учебном заведении) Российской Федерации, /http://www.ed.gov.ru/prof-edu/vish/rub/467/#pol:

53. Титарев JI.Г. Открытое образование как система открытых университетов; Дистанционное образование, №6, 2000, с.12-18.

54. Удальцов С.В: Технология разработки адаптивных систем дистанционного обучения на основе интеллектуальных программных агентов; Диссертация на соискание ученой степени к.т.н:.: 05.13.11-СПб, 1999.

55. Фаулер М., Скотт К. UML в кратком изложении. Применение стандартного языка объектного моделирования: Пер. с англ.- М.: Мир, 1999:

56. Федеральная целевая программа "Развитие единой образовательной информационной среды (2001 -2005годы)7 http://www.ed.gov.ru/ntp/fp/pfzp/post-p/656/.

57. Федосеев и др. Экономико-математические методы и прикладные модели. Учебное пособие для ВУЗов -М :ЮНИТИ, 2002

58. Философия Java. Библиотека программиста. 3-е изд./ Б.эккель,- СПб.: Питер, 2003.

59. Харрингтон Д. Проектирование объектно-ориентированных баз данных/ Пер. с англ. М.: ДМК Пресс, 2001.

60. Царев В. Преимущества дистанционного обучения.- Высшее образование в России, №4; 2000.

61. Черемных C.B. и др. Структурный анализ систем: IDEF технологии-М.: Финансы и статистика, 2001.

62. Шуленин А. Обзор новой функциональности. СУБД, №3,1998.