автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Исследование и разработка модели, методики и средств создания автоматизированных учебных пособий с использованием технологии XML

На правах рукописи

ГАПАНЮК ЮРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ, МЕТОДИКИ И СРЕДСТВ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ УЧЕБНЫХ ПОСОБИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ XML

Специальность 05.13.17 - Теоретические основы информатики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2006

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э.Баумана.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

профессор Э.Н. Самохвалов

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор А.Б. Николаев

кандидат технических наук А.С. Сергеев

Ведущая организация: Федеральный институт

развития образования

Защита диссертации состоится «15» июня 2006 г. на заседании диссертационного совета Д212.141.10 при Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э.Баумана по адресу: 107005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Mi ТУ им. Н.Э.Баумана.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять в адрес совета университета.

Автореферат разослан « • мая 2006 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета к.т.н. доцент

С. Р. Иванов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

В последнее время, в связи с развитием Интернет, активно развивается обучение через Сеть. Все более актуальной становится разработка специализированного программного обеспечения, предназначенного для обучения с использованием технологий Интернет.

Предметом рассмотрения данной работы являются автоматизированные учебные пособия. Автоматизированные учебные пособия обладают по сравнению с обыкновенными бумажными пособиями такими преимуществами, как возможность поиска по тексту, использование гипертекста и гипермедиа. Автоматизированные учебные пособия на базе Интернет-технологии также обладают рядом преимуществ по сравнению с обычными автоматизированными учебными пособиями. Это - возможность оперативного обновления учебных материалов, решение проблемы совместимости программного обеспечения, возможность включения в учебное пособие ссылок в Интернет.

В настоящее время учебные пособия, как правило, создаются с использованием формата HTML. К основным недостаткам таких пособий можно отнести: отсутствие описания логического уровня учебного пособия; невозможность контекстного поиска по учебным материалам; недостаточное удобство при изменении учебных материалов; отсутствие компоненты, позволяющей сохранять информацию, необходимую для дальнейшей доработки и создания следующих версий пособия.

Цель и основные задачи работы

Целью работы является создание модели и средств описания автоматизированного учебного пособия, ориентированного на использование технологий Интернет, которое в процессе обучения позволяет сохранять информацию, необходимую для дальнейшей доработки и создания следующих версий пособия.

В работе решаются следующие задачи:

1) создание модели автоматизированного учебного пособия;

2) создание языка описания учебных пособий на основе модели данных XML;

3) разработка системы создания и просмотра автоматизированных учебных пособий.

Методы исследований

В работе используется теория множеств, теория алгебр, теория графов и теория формальных языков.

Научная новизна

1) Разработана модель автоматизированного учебного пособия, позволяющая формально описать учебное пособие и результаты обучения. Разработанная модель включает ряд подмоделей: модель обучающего пространства пособия, модель трека обучения, модель текущих знаний обучаемого, модель профиля учебного пособия.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург

ОЭ Ш&кт^Л^

2) Проведено исследование модели с использованием теории алгебр. Введены алгебры на учебных пособиях и функция от учебных пособий, которые позволяют получать новые пособия на основе существующих с помощью операций объединения, пересечения, разности и симметрической разности; получать профили пособия для различных групп обучаемых.

3) Разработаны алгоритмы: опроса обучаемых с использованием блока контрольных вопросов, формирования дерева текущих знаний обучаемого, формирования профиля учебного пособия, вычисления функции от учебных пособий.

4) Создан язык описания автоматизированных учебных пособий ECML, что позволило решить задачу автоматизации создания учебных пособий и упростить разработку системы создания и просмотра автоматизированных учебных пособий.

Практическая ценность

1) Разработана методика создания и использования автоматизированного учебного пособия, учитывающая особенности предложенной модели. Особенностью методики является возможность оценки учебных материалов в процессе обучения, что позволяет определять недостатки текущей версии пособия.

2) Разработана система создания и просмотра автоматизированных учебных пособий, реализующая методику создания и использования автоматизированного учебного пособия с помощью разработанного языка ECML. Система состоит из подсистемы создания пособий, реализованной с использованием Microsoft InfoPath, и подсистемы просмотра пособий, реализованной в виде Web-приложения на платформе Java с использованием технологии Java Server Pages.

Апробация работы

Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено:

1) на семинарах и заседаниях кафедры «Системы обработки информации и управления» МГТУ им. Н.Э. Баумана;

2) на научно-технической конференции, посвященной 170-летаю МГТУ им. Н.Э. Баумана 21-23 ноября 2000 г;

3) на Всероссийской научно-технической конференции «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» 17-18 февраля 2005 г.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 172 страницах машинописного текста, содержит список литературы, включающий 87 наименований.

Содержание работы

Схема диссертационного исследования представлена на рис. 1.

В разделе «Введение» обосновывается актуальность темы диссертации, рассматриваются преимущества Интернет-технологии для разработки автоматизированных учебников и учебных пособий, формулируются цель и задачи

2

работы.

В первой главе дастся определение автоматизированного учебника и автоматизированного учебного пособия, проводится анализ существующих подходов к разработке автоматизированных учебников и учебных пособий, формулируются требования к автоматизированному учебному пособию, рассматривается использование технологии XML для описания обучающих ресурсов.

Вмипдмм TftOomm» * —томагшмроанному ушбному пособию

I -

Гпадиви сфуыуриой мадши ■итомтиирояшпюго учябного пособия

Т

Э D

К модем ввтомгпаиротмиого учебного пособия

Исьладоианив формализованной е использованием теории алгабр

Спадание алгоритмов, мобкойимъц

Разработка методики создания и использования

I описания учебниж пособий ECML на осном модем данных XML

Подсистема создания пособий

Подсистема просмотра пособий

л

Сисятт создают и просмотр» алтоштижироватт пг учабньгг пособий Рис. I. Схема диссертационного исследования

Под автоматизированным учебным пособием понимается учебное пособие, в котором может быть отражена часть какой-либо учебной дисциплины, содержание которого создается, хранится и доводится до обучаемого с использованием автоматизированных информационных технологий.

На основе анализа существующих подходов к созданию автоматизированных учебников и учебных пособий в диссертации выделены основные требования к автоматизированным учебным пособиям, которые являются основой для разработки модели учебного пособия.

В результате рассмотрения рекомендаций IMS и SCOEM по использованию технологии XML для описания обучающих ресурсов можно сделать вывод о том, что данные рекомендации не обеспечивают выполнение всех требований к автоматизированному учебному пособию. Таким образом, возникает необходимость в разработке языка описания автоматизированных учебных

пособий на основе технологии XML, который обеспечивает выполнение требований к автоматизированному учебному пособию.

Во второй главе разрабатывается модель автоматизированного учебного пособия, предназначенная для описания учебных пособий и результатов обучения. Проводится исследование разработанной модели с использованием теории алгебр. Разрабатываются алгоритмы, необходимые для реализации модели: алгоритм опроса обучаемых с использованием блока контрольных вопросов, алгоритм формирования дерева текущих знаний обучаемого, алгоритм формирования профиля учебного пособия, алгоритм вычисления функции от учебных пособий. Разрабатывается методика создания и использования автоматизированного учебного пособия.

На основе требований, сформулированных в первой главе, разработана структурная модель автоматизированного учебного пособия, представленная на рис. 2.

На основе структурной модели разработана формализованная модель автоматизированного учебного пособия, которая позволяет описать учебное пособие, процесс и результаты обучения.

Рассмотрим основные элементы формализованной модели. Автоматизированное учебное пособие определяется следующим образом:

CRS = (LS, UP, TR, СК, PR), где CRS - автоматизированное учебное пособие; LS - обучающее пространство учебного пособия; UP - профили обучаемых и преподавателей; TR - трек обучения; СК - модель текущих знаний обучаемого; PR - профиль учебного пособия.

LS = <CRST, LG, LGR, СТ, ЕМ, L, DEF, Q, LNK, EVT>, где CRST - информация об учебном пособии; LG - дерево учебных целей; LGR -множество исходных требований к подготовке обучаемого; СТ - дерево содержания учебного пособия; ЕМ - множество учебных материалов; L-множество внешних источников; DEF - глоссарий; Q - множество контрольных вопросов; LNK - множество внутренних связей; EVT - параметры оценки учебного пособия.

LG = <LGN, LGS), LGN = {lg i}, lg t = Og nm, lg т, lg pre), lg T6LGT, LGT = {Igt т, lgt р, lgt о Ь

где LGN - множество вершин дерева учебных целей; LGS - множество ребер дерева, отражающее связи между учебными целями; lg , - учебная цель; lg мм -наименование учебной целя; lg т - тип учебной цели; lg pre - признак того, что данная учебная цель должна быть предварительно изучена; LGT - множество типов учебных целей; lgtr - «теоретическая» учебная цель, lgt? - «практическая» учебная цель, lgto - «обобщенная» учебная цель.

LGR = {lr i} с LGN, lr, = lg j, lg pre где LGR - множество исходных требований к подготовке обучаемого; 1г, -элемент множества LGR; LGN - множество вершин дерева учебных целей; lg учебная цель; lg PRE - признак предварительной изученности учебной цели.

Обучающее пространство

Трек обучения

Рис. 2. Структурная модель автоматизированного учебного пособия

ЕМ={Р,Е},Р(=<рмм,1>г,{и, },{е,})»р|еР,рг еРТ,РТ = {1*т,р1р}, где Р - множество обучающих страниц; Е - множество учебных элементов; р, -обучающая страница; рмм - наименование обучающей страницы; рт—тип обучающей страницы; и4 - уровень подробности представления учебного материала; е, - учебный элемент; РТ - множество типов обучающих страниц; -«теоретическая» обучающая страница, р1р - «практическая» обучающая страница.

и. = <Цчм, и1, {, е щ. < и1 }>, е, е рь где и»м - наименование уровня подробности; и1 - количественное значение уровня подробности; е,- - учебный элемент; е^ - количественное значение уровня подробности для учебного элемента; р! - обучающая страница.

При просмотре страницы обучаемый может выбирать уровень подробности. Учебный элемент в| отображается только в том случае, если количественное значение уровня подробности для данного учебного элемента меньше или равно количественному значению уровня подробности представления учебного материала, задаваемому обучаемым (е ^ < и1).

Уровни подробности учебного материала позволяют обеспечить несколько, вариантов представления страницы для обучаемых с различными уровнями

подготовки. При этом возможно как увеличение страницы путем введения дополнительных учебных материалов, так и уменьшение страницы, создание ее конспективного варианта.

Таким образом, в учебное пособие можно включать вспомогательные примеры и разъяснения, при этом они не загромождают учебное пособие, так как уровень подробности выбирается обучаемым.

ei = <егш, »г, ebl, ер>, е, е е, е-г е et, et = ем и ed и el и ес, где е; - учебный элемент; емм - наименование учебного элемента; ет - тип учебного элемента; euL - количественное значение уровня подробности для учебного элемента; еР - множество параметров, характеризующих учебный элемент в зависимости от его типа; Е - множество учебных элементов; ЕТ-множество типов учебных элементов; Ем - подмножество элементов разметки; Ев - подмножество «дидактических» обучающих элементов; Еь-подмножество элементов, предназначенных для создания связей; Ее—подмножество «контейнерных» элементов.

l = li и lu, lij = (1iname> Иии > udsc)» lij e Li» где Li - множество внешних электронных источников; LB - множесгво внешних бумажных источников; lij - внешний электронный источник; Икаме -наименование электронного источника; Ниш - URI источника; Iicscr-описание источника.

Вынесение ссылок на внешние источники в отдельное множество облегчает разработчику учебного пособия контроль над изменениями внешних URI, а также предоставляет возможность автоматического контроля внешних URI.

DEF = {défi}, defj = <defT, defD>, defD = {e(}, ejÊE, где def; - элемент глоссария; defT - термин; defD - определение термина.

q = qsuqb,qs = {qsi},qsi={qj}) = <qt, a„ p„ { щ*, pwi », preP, PwieP, где QS - множество наборов контрольных вопросов; QB - множество блоков контрольных вопросов; QS, - набор контрольных вопросов; q, - контрольный вопрос; qt - текст вопроса; а, - правильный вариант ответа на контрольный вопрос; рг - обучающая страница, подтверждающая правильность ответа а,; -неправильный вариант ответа; pw, - обучающая страница, объясняющая неправильность ответа а^.

N N

QB = {qb,}, qbj = UqSj.qSj cQSj^qs^qs^^qs^ =QB„, i=» 1=1

где qb; - блок контрольных вопросов; qs, - подмножество вопросов из набора контрольных вопросов QSjj qSm-мощность подмножества qsj; N - количество используемых наборов вопросов; QBn - количество вопросов в блоке вопросов qb,.

Блок контрольных вопросов является объединением подмножеств контрольных вопросов qs; из различных наборов QSj, при этом требуемое количество вопросов из каждого набора qsm определяется разработчиком учебного пособия.

Блок контрольных вопросов отличается от обыкновенного теста следующим: каждый вопрос предлагается обучаемому не один раз, а возможно многократно, до тех пор, пока обучаемый не ответит на данный вопрос правильно. При этом

подсчитывается число неправильных ответов обучаемого. Каждый вопрос содержит список возможных ответов, из которых правильным является только один.

Для определения степени правильности ответов обучаемого на контрольные вопросы в данной модели используется коэффициент правильности ответа обучаемого на блок контрольных вопросов К,.

а,-<гвп о®.» овр

Кг ="--А< = ' Ата1 = ЕАп1 >

Атях ~~ Vйп ¡=1 ¡=1

где А, - количество правильных и неправильных попыток ответов на вопросы;

Ацщх - максимальное количество возможных ответов на вопросы; ()В„ -

количество вопросов в данном блоке вопросов.

Для преобразования коэффициента Кг в оценку по пятибалльной шкале К5 используется функция К5 = 4(КГ). Областью определения является используемый диапазон для Кг€[0;1], а областью допустимых значений диапазон для К5е[0;5]. Параметры функции задаются разработчиком учебного пособия.

ЫЧК - {1пк|}, 1вк| = <{ е«И]}, {её1о, ¡1с }>, еёЬ е Еь, е<11о е ({ес11ро} и <2В и БЕР и Ь), еШр0 е Еь, 11с = <{ р!}, {ч^, Кд }>, где 1пк, - внутренняя связь; есИ^ - вход внутренней связи; еШо - выход внутренней связи; Не - условие, накладываемое на выход связи; Еь - множество учебных элементов, предназначенных для создания связей; е(11ро - выход внутренней связи на обучающую страницу; {р;} - множество обучающих страниц, которые необходимо предварительно посетить; {я^, К3}} - множество блоков контрольных вопросов, на вопрос яЪ, необходимо предварительно ответить на оценку не ниже К;,- по пятибалльной шкале.

СТ = (СТ1Ч, СТЯ), СТМ = СТИ и СТР и С1Ъ и CTQ, сЬцеСТ1Ч, ста = {<*г,}, <*г, = <<*А, {с1,}), С^есга, СТР = { с«р,}, (Лр( = <си, Р;, {1& }>, {1& }е1ЛЯЧ, р,еР, СТЬ = { сЙ|}, сЙ; = <ЛА, {1& }), {1& }еЬСМ, Ь„ сто = {С1Ч|}, = <с1А, {К5 }>, 1&е1Л;]Ч, ч^еОВ, где СТ - дерево содержания учебного пособия; СШ - множество вершин дерева; СТБ - множество ребер дерева, отражающее связи между элементами содержания; СТО - множество элементов содержания, соответствующих разделам и подразделам учебного пособия; СТР - множество элементов содержания, соответствующих обучающим страницам; СТЪ - множество элементов содержания, соответствующих внешним источникам; СТ<3 - множество элементов содержания, соответствующих блокам контрольных вопросов; Лп, - элемент содержания; йг, - раздел; аА - наименование элемента оглавления; {с^} -множество дочерних элементов оглавления; с1р, - элемент оглавления, соответствующий обучающей странице; р^ - обучающая страница; - учебная цель; ей; - элемент оглавления, соответствующий внешнему электронному источнику; 1ц - ссылка на внешний источник; - элемент оглавления, соответствующий блоку контрольных вопросов; - блок контрольных вопросов; К5 - оценка по пятибалльной шкале.

ЕУТ = <ЕУТК, вРв),

где EVTp — множество показателей оценок, формируемых на основе опроса обучаемых; GFS - множество целевых функций.

EVTf = {evf}, evf = <evfN, evf0, evfsr, {LST¡}>, evfSTeST, где evf - показатель оценки; evf^ - наименование показателя; evf0 - описание показателя; evfsi - тип шкалы; {LST,} - множество типов элементов обучающего пространства, для которых используется показатель; ST - множество типов используемых шкал.

В данной модели используются три типа шкал, ST = {st,, st2, st3}, а также "универсальная" шкала stU; на основе которой вычисляются значения целевых функций. "Универсальная" шкала stu имеет традиционный диапазон [0; 5], оптимальным значением является максимальное значение "5". Шкала sti совпадает с универсальной. Шкала st2 совпадает с универсальной по диапазону, но оптимальным значением является минимальное значение шкалы. Пересчет в универсальную шкалу осуществляется по формуле stu = 5—st2. Шкала st3 имеет диапазон [-5; 5], оптимальным является среднее значение "0". Пересчет в универсальную шкалу осуществляется по формуле stu = 5Hst3|.

Значение показателя evfv для элемента обучающего пространства вычисляется как среднее значение по "универсальной" шкале по оценкам всех обучаемых. Целевая функция оценки элементов обучающего пространства используется для выделения «узких мест» учебного пособия.

т.. uí ¿(efc¡ - evfv¡)

evfv -> GFS = {GF}, GF({evfi})=^—-,

EA Sefc,

¡=i

где stu; - значение i-й опенки, вычисленное по "универсальной" шкале; FREA -количество оценок учебного элемента по данному показателю; GFS - множество целевых функций; GF - целевая функция; {evf,} - множество показателей, на основе которых вычисляются значения целевой функции; efe, - вес i-ro показателя; evfy, - значение i-ro показателя; N - количество показателей.

UP={ UP¡}, UP, = <1Л\м, UPlgn, UPnvn, UPp, UPT>, UPp = {bnij}, bnij = <LSb bmCMT>, где UP - множество профилей; UP, - профиль; UPNM - имя обучаемого; UPlgn -идентификатор для работы с учебными пособиями; UPpwd - пароль для работы с учебными пособиями; UPp - информация о персонализации пособия; UPT -признак профиля преподавателя; Ьпу- закладка, соответствующая элементу обучающего пространства; LS, - элемент обучающего пространства; Ьтсмт - текст закладки.

TR=<{TRU},TRE,TRC>, где TR - трек обучения; TRu - трек обучаемого; TRE - трек учебного пособия; TRc - коммуникационный трек.

TRu = <up¡, {tuei}>, tne¡ = <tb t2, evtu), evtu eTE^, TEu = {tup, tiiQB, tuDEF, tnL, tuLNK}, где up, - идентификатор профиля обучаемого; tue¡ - событие трека обучаемого; tj -время начала события; Í2 - время окончания события; evtu- тип события трека 8

обучаемого; ТЕи - множество типов событий трека обучаемого; tuP - событие, связанное с просмотром обучающей страницы; íuqb - событие, связанное с ответом обучаемого на блок контрольных вопросов; íudef - событие, связанное с просмотром элемента глоссария; tuL-co6brrae, связанное с посещением внешнего источника; tULNK-событие, связанное с переходом по внутренней связи.

TRe = {tee¡}, tee¡ = <t, up¡, LS¡, evf, evfvs, evfv>, где tee¡ - событие трека учебного пособия; t - время события; up¡ - идентификатор профиля обучаемого; LS, - элемент обучающего пространства; evf - показатель оценки; evfvs - значение показателя по шкале показателя; evfv - значение показателя по универсальной шкале.

TRc = {ctcj, ctcj = <LS¡, upi, ctcN, ctcD, ctcr, {cte¡}>, ctej = <upb cteN, ctem, cte« ctep, ctexp), cterp = {ctt,, ctt2, ctt3}, где ctc, - конференция; LS, - элемент обучающего пространства, к которому относится конференция; up¡ - идентификатор профиля обучаемого; ctc» -наименование конференции; ctcD - описание конференции; ctcr - время создания; {ctej} - множество сообщений; йен - наименование сообщения; cteM - текст сообщения; ctet - время создания сообщения; cteP - ссылка на родительское сообщение, если данное сообщение является ответом; cterp - тип сообщения; ctt, -сообщение общего вида; ctt2 - вопрос; сйз - ответ на вопрос.

СК = <CKN, CKS>, CKN = { ck¡}, ck¡ = <lg¡, PCT, LCT, QBKct, Рта, Ltr, QBKra, {ctc¡}, KS, KFS, NK„ TKJ, QBKcr = { qbb Kcn}, QBKtr « {qb¡, KXRi}, lg¡eLGN, где СК - дерево текущих знаний обучаемого; CKN - множество вершин дерева; CKS - множество ребер дерева; ск, - вершина дерева текущих знаний; lg¡ - учебная цель, которой соответствует данная вершина; Рст - множество обучающих страниц, связанных с данной учебной целью через содержание учебного пособия; Lct - множество внешних источников, связанных с данной учебной целью через содержание учебного пособия; QBKCT - множество блоков контрольных вопросов qb¡, каждый из которых необходимо изучить на уровне Ксп; Ртя - множество обучающих страниц, связанных с данной учебной целью через трек обучаемого; Ltr - множество внешних источников, связанных с данной учебной целью через трек обучаемого; QBKtr - множество блоков контрольных вопросов qb„ каждый из которых изучен на уровне Ктш; ctc¡ - конференция коммуникационного трека; KS - коэффициент изученности учебной цели; KFS - коэффициент полной изученности учебной цели; NKr - коэффициент правильности ответа обучаемого на контрольные вопросы для блоков контрольных вопросов, относящихся непосредственно к данной учебной цели; ТКГ - коэффициент правильности ответа обучаемого на контрольные вопросы для блоков контрольных вопросов, связанных с данной учебной целью и ее подцелями.

KS = ksj a KSq, kst — kstp a kstl, KStp = (Рст С Ртк)» К &i L = (Lct £ Ltr), ksQ = ksQa a ksqk, ksQa= (qbkct £ qbktr), ksqk = ((kctí á Ktr¡), Vqb¡, qbi6QBKCT, qb¡6qbkra),

KFS^AKFSOA KS, KFS,eckj€CKN),

где KST - коэффициент теоретической изученности учебной цели; KSq -коэффициент практической изученности учебной цели; KSrt. - коэффициент изученности обучающих страниц; KSjL - коэффициент изученности внешних источников; KSQA - коэффициент практической изученности блоков контрольных вопросов; KSqk - коэффициент правильности изученности блоков контрольных вопросов; Ken - коэффициент правильности ответа обучаемого из содержания учебного пособия; - коэффициент правильности ответа обучаемого из трека обучения; qb, - изученный блок контрольных вопросов, связанный с данной учебной целью; KFS, - коэффициент полной изученности i-й подцели текущей учебной цели.

Учебная цель lg, считается полностью выполненной, если коэффициент полной изученности KFS истинен, то есть выполнена учебная цель и все ее подцели.

0,Nck =0,Nqb =0

NKr =

Ук ¿jb-ri

i=l

N,

,NQB>0;TKr = QB

0,NQB=O

NKr,NCK=0,NQB>0 Nck

lTKri

i=l

N,

,NCK>O,NQB=O

Nck

CK

lTKri+NKr

1=1

Nck+1

,NCK >0,Nqb >0

где Nqb - количество блоков контрольных вопросов, непосредственно связанных с данной учебной целью, на которые ответил обучаемый; Кп - коэффициент правильности ответа обучаемого на i-й блок контрольных вопросов по пятибалльной шкале; ТКП - значение коэффициента ПСГ для i-й подцели; NCk -количество таких подцелей данной учебной цели, для которых значение коэффициента ТК„ непустое.

Коэффициент NK, определяет оценку обучаемого по пятибалльной шкале за выполнение текущей учебной цели, а коэффициент ТКГ учитывает оценки, полученные за выполнение подцелей.

PR ш (PRfm, {PRgf))> PR™ = { PLS,}, PRgf = <GF, { PLSj, GFv,}>, PLSs = (LSj, EVT™, {evfvs}, {ctc, }>, где PRfm - «частотная карта» учебного пособия; PRgf - профиль учебного пособия на основе целевой функции; GF - целевая функция; PLS- профиль элемента обучающего пространства; GFVi - значение целевой функции для данного элемента; LSj - элемент обучающего пространства; EVTfr- характеристики посещаемости элемента; evfvi - оценка обучаемых по показателю evf; ctc, -конференция коммуникационного трека, связанная с данным элементом.

Информация о значении целевой функции в сочетании со статистической информацией о посещаемости позволяет определять «узкие места» учебного

пособия.

Разработанная модель автоматизированного учебного пособия позволяет:

1) Осуществлять описание пособий в виде обучающего пространства.

2) Сохранять информацию о процессе обучения в виде трека обучения.

3) На основе обучающего пространства и трека формировать модель текущих знаний, которая показывает успеваемость обучаемого.

4) На основе обучающего пространства и трека формировать профиль учебного пособия, предназначенный для выделения «узких мест» учебного пособия.

Однако разработанная модель не позволяет решать такие задачи, как объединение существующих пособий, нахождение различий между пособиями. Для решения этих задач формализованная модель исследуется с использованием теории алгебр.

Вводится отношение эквивалентности для учебных пособий. Два учебных пособия эквивалентны, если эквивалентны их обучающие пространства, треки, множества обучаемых. Соответствие между эквивалентными элементами обучающих пространств, треков, множеств обучаемых устанавливается разработчиком пособия.

Для элементов обучающего пространства, представляющих собой множества и наборы множеств, таких как ЕМ (множество учебных материалов), I. (множество внешних источников), БЕГ (глоссарий), 0 (множество контрольных вопросов), ЬЫК (множество внутренних связей), ЕУТ (параметры оценки учебного пособия), устанавливается соответствие между эквивалентными элементами из различных обучающих пространств. Аналогично определяется эквивалентность между профилями обучаемых (ПР) и элементами треков (Щ).

Для древовидных элементов обучающего пространства ЬО (дерево учебных целей) и СТ (дерево содержания учебного пособия) устанавливается соответствие между эквивалентными вершинами из различных обучающих пространств. Вершины могут быть признаны эквивалентными, только если они находятся на одном уровне иерархии и их родительские вершины также эквивалентны. Корневые вершины деревьев всегда считаются эквивалентными.

Над учебными пособиями вводятся операции объединения (и), пересечения (п), разности (\) и симметрической разности (Л).

Для древовидных элементов обучающего пространства 1ЛЗ (дерево учебных целей) и СТ (дерево содержания учебного пособия) объединение определяется как операция объединения вершин, находящихся на одном уровне иерархии, при этом эквивалентные вершины включаются в объединение только один раз. Таким образом, операция объединения древовидных элементов обучающего пространства представляет собой последовательность операций объединения множеств вершин, находящихся на одном уровне иерархии. Операции над пособиями представляют собой последовательность операций над множествами.

ЛЬС,ь = < скв, и, п, \, Д, С^Й, О^ищу >

Сигнатура алгебры АЬОи содержит рассмотренные операции. Нулем алгебры является пустое пособие СЛБа, а нейтральным элементом - "универсальное" пособие СКБцму.

Функцией от учебных пособий назовем функцию, переменные и результат

вычисления которой принадлежат носителю алгебры ALGy, а операции принадлежат сигнатуре алгебры ALGu- Наименьшим значением функции является пустое пособие CRS0, а наибольшим - "универсальное" пособие CRSunjv-

CRSR = (CRS, ор CRSÎ), оре{ u, п,\ А }, где CRSr - результирующее пособие; CRS( и CRS2 - переменные, которые также могут быть функциями от учебных пособий; ор - операция.

Функцию можно представить в виде двоичного дерева, вершинам которого соответствуют переменные и операции. Такое определение позволяет реализовать универсальный алгоритм вычисления функции от учебных пособий. Свойства операций используются для оптимизации вычисления значений функции.

Алгоритм вычисления функции от учебных пособий включает в себя: ввод функции от учебных пособий в виде двоичного дерева, задание соответствия между эквивалентными элементами пособий, выполнение операций и получение результирующего пособия. С помощью данного алгоритма решаются такие задачи как: получение новых пособий на основе существующих с использованием операций объединения, пересечения, разности и симметрической разности, получение профилей пособия для различных групп обучаемых.

Для реализации модели также разработаны следующие алгоритмы: алгоритм опроса обучаемых с использованием блока контрольных вопросов, алгоритм формирования дерева текущих знаний обучаемого, алгоритм формирования профиля учебного пособия.

Алгоритм опроса обучаемых с использованием блока контрольных вопросов предназначен для формирования блока контрольных вопросов из наборов вопросов, опроса обучаемого и сохранения результатов опроса в треке обучаемого. Алгоритм включает в себя: выбор контрольных вопросов из заданных наборов, опрос обучаемого, проверку правильности ответов, расчет коэффициента правильности ответа на блок контрольных вопросов (Кг), сохранение в треке обучаемого результатов опроса и истории ответов. При выборе вопросов предпочтение отдается тем из них, которые еще не предлагались обучаемому. Информацию о том, какие вопросы уже предлагались обучаемому, алгоритм получает из трека обучаемого.

Алгоритм формирования дерева текущих знаний обучаемого предназначен для формирования дерева текущих знаний на основе обучающего пространства пособия и трека обучаемого. Для каждой учебной цели рассчитываются характеристики, рассмотренные в модели текущих знаний обучаемого. Алгоритм включает в себя: вычисление коэффициентов изученности (KS) и полной изученности (KFS) учебной цели, вычисление коэффициентов NKr и ТКГ для каждой учебной цели.

Алгоритм формирования профиля учебного пособия предназначен для выявления «узких мест» учебного пособия. Алгоритм включает в себя: вычисление значений целевой функции и статистических характеристик для элементов обучающего пространства, сортировку элементов по значениям целевой функции.

На основе рассмотренных моделей и алгоритмов разработана методическая схема создания и использования автоматизированного учебного пособия, которая состоит из пяти этапов.

!

Первый этап выполняется разработчиком учебного пособия. В результате выполнения этапа формируется модель обучающего пространства учебного пособия.

На втором этапе создаются профили обучаемых и преподавателей.

На третьем этапе обучаемый может просматривать обучающие страницы, осуществлять переходы на внешние источники, отвечать на блоки контрольных вопросов. При работе с блоками вопросов используется алгоритм опроса обучаемых с использованием блока контрольных вопросов. Данные сохраняются в треке обучаемого. Обучаемый может также проводить персонализацию обучающего пространства, закладки сохраняются в профиле обучаемого. В процессе обучения возможна коммуникация между обучаемыми и преподавателями. Результаты сохраняются в коммуникационном треке. Обучаемые могут проводить оценку элементов учебного пособия в соответствии с моделью оценки учебного пособия. Результаты сохраняются в треке учебного пособия.

На четвертом этапе происходит подведение итогов обучения. На основе трека обучаемого и коммуникационного трека формируется модель текущих знаний обучаемого. Для этого используется алгоритм формирования дерева текущих знаний обучаемого.

На пятом этапе производится оценка учебного пособия. На основе трека учебного пособия и коммуникационного трека с использованием соответствующего алгоритма формируется профиль учебного пособия. На основе анализа профиля вырабатываются рекомендации по улучшению учебного пособия.

В третьей главе обосновываются преимущества модели данных XML по сравнению с реляционной моделью для описания учебных пособий, разрабатывается язык описания учебных пособий ECML.

Можно выделить три основных подхода к описанию учебной информации в Web-ориентированных учебных пособиях:

1) Для описания учебных материалов используются статические HTML-документы.

2) Учебные материалы хранятся в реляционной БД. Документы HTML формируются динамически на основе БД учебных материалов с помощью серверного Web-приложения.

3) Для хранения учебных материалов используются документы XML. Документы HTML формируются динамически на основе документов XML с помощью серверного Web-приложения с использованием технологий XSLT и XQuery.

В результате сравнения данных подходов на основании предложенных в диссертации критериев можно сделать вывод о том, что наиболее удобной технологией для реализации модели автоматизированного учебного пособия является технология XML.

Язык описания учебных пособий ECML (Educational Course Markup Language) представляет собой модель автоматизированного учебного пособия, представленную с помощью модели данных XML.

В соответствии с моделью автоматизированного учебного пособия, ECML

включает в себя такие элементы, как элементы описания обучающего пространства учебного пособия, учебных целей и исходных требований к подготовке обучаемого, содержания учебного пособия, учебных материалов, внешних источников, глоссария, наборов и блоков контрольных вопросов, внутренних связей, параметров оценки учебного пособия, профилей обучаемых и преподавателей, треков обучения, текущих знаний обучаемого, профиля учебного пособия. Основные элемента языка ЕСМЬ представлены на рис. 3.

Рис. 3. Основные элементы языка ЕСМЬ

В четвертой главе разрабатывается программная система создания и просмотра автоматизированных учебных пособий, в которой реализуется методика создания и использования автоматизированного учебного пособия с помощью языка ECML.

С технологической точки зрения, методику создания и использования автоматизированного учебного пособия можно представить как процесс создания и преобразования документов ECML.

Система создания и просмотра автоматизированных учебных пособий состоит из двух подсистем: подсистемы создания пособий и подсистемы просмотра пособий.

Учебное пособие разрабатывается с использованием подсистемы создания пособий. Подсистема просмотра пособий осуществляет формирование треков, модели текущих знаний обучаемого и профиля учебного пособия.

Основная технологическая задача, которая решается в подсистеме создания пособий - ввод учебных материалов и их сохранение в виде документов ECML.

Подсистема создания пособий реализована с использованием Microsoft InfoPath. Разработчик создает учебное пособие путем ввода и редактирования данных с помощью форм ввода. Введенные данные преобразуются в документы в формате ECML.

Основная технологическая задача, которая решается в подсистеме просмотра -преобразование учебных материалов из формата ECML в формат HTML для отображения в броузере.

Подсистема просмотра пособий реализована с использованием Web-технологии. Для реализации подсистемы используется трехзвенная архитектура Web-приложения.

В качестве первого звена (тонкого клиента) используется Web-броузер. Вторым звеном (сервером приложений) является Web-сервер. Web-приложение преобразует учебные материалы в формат HTML с использованием технологий XSLT и XQuery. При этом у пользователя существует возможность изменять внешний вид HTML-документов, применяя различные стили CSS. Третьим звеном является база данных учебных материалов.

Подсистема просмотра пособий реализована на платформе Java на базе сервера Apache Tomcat. Web-приложение реализовано с использованием технологии JSP. Для работы с технологией XSLT использована библиотека Apache Xalan, а для работы с XQuery библиотека Qizx/open.

В пятой главе рассматривается пример разработки учебного пособия «Введение в технологию XML», обучения с использованием данного пособия, формирования моделей текущих знаний обучаемых, выделения недостатков текущей версии пособия.

Результаты апробации показали эффективность применения разработанных модели, методики, языка и системы для создания автоматизированных учебных пособий.

Основные результаты работы

1) Сформулированы обобщенные требования к автоматизированному учебному пособию, которые явились основой для разработки структурной модели автоматизированного учебного пособия.

2) Разработана формализованная модель автоматизированного учебного пособия, включающая подмодели обучающего пространства пособия, трека обучения, текущих знаний обучаемого, профиля учебного пособия.

3) Проведено исследование формализованной модели с использованием теории алгебр. Введены алгебры и функция от учебных пособий, которые позволяют получать новые пособия на основе существующих с помощью операций объединения, пересечения, разности и симметрической разности; получать профили пособия для различных групп обучаемых. Использование алгебраического подхода позволяет решить различные задачи с помощью единого алгоритма вычисления функции от учебных пособий.

4) Созданы алгоритмы опроса обучаемых с использованием блока контрольных вопросов, формирования дерева текущих знаний обучаемого, формирования профиля учебного пособия.

5) Разработана методика создания и использования автоматизированного учебного пособия, включающая разработку учебного пособия, обучение, подведение итогов обучения и оценку учебного пособия.

6) Разработан язык ECML, реализующий формализованное описание пособия в терминах XML. Язык ECML включает элемента, предназначенные для описания обучающего пространства пособия, трека обучения, текущих знаний обучаемого, профиля учебного пособия.

7) Разработана система создания и просмотра автоматизированных учебных пособий, реализующая методику создания и использования автоматизированного учебного пособия с помощью разработанного языка ECML. Система состоит из подсистемы создания пособий, реализованной с использованием Microsoft InfoPath, и подсистемы просмотра пособий, реализованной в виде Web-приложения на платформе Java с использованием технологии Java Server Pages.

8) С использованием системы создания и просмотра автоматизированных учебных пособий разработано пособие «Введение в технологию XML». Проведено обучение с помощью данного пособия, сформированы модели текущих знаний обучаемых, определены недостатки текущей версии пособия. Опытная эксплуатация показала эффективность применения разработанных модели, методики, языка и системы для создания автоматизированных учебных пособий. Результаты работы используются в Главном центре информатизации Банка России, Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана и Московском государственном техническом университете гражданской авиации.

Публикации по теме работы

1. Гапанюк Ю.Е. Основы построения Internet-учебников // 170 лет МГТУ им

H.Э. Баумана: Тез. докл. всерос. научно-технической конференции. - М., 2000. - Ч.

I.-С. 36.

2. Гапанюк Ю.Е. Использование технологии XML для разработки обучающей системы на базе Internet //Гражданская авиация на рубеже веков: Тез. докл. Международной научно-технической конференции. - М., 2001. - С. 228.

3. Гапанюк Ю.Е. Обзор подходов к построению Intemet-учебников //Проблемы построения и эксплуатации систем обработки информации и управления: Сб. статей. /Под ред. В.М. Черненького. - М.: Изд-во ООО «Эликс+», 2001. -Вып.2. - С. 75-80.

4. Гапанюк Ю.Е. Модель описания обучающего пространства автоматизированного учебного курса // Интеллектуальные технологии и системы: Сборник статей аспирантов и студентов. /Сост. и ред. Ю.Н.Филипповича. - М.: Изд-во МГУП, 2002. -Вып.4. - С. 128-141.

5. Гапанюк Ю.Е. Архитектура автоматизированного учебного пособия на основе технологии XML // Информатика и системы управления в XXI веке: Труды молодых ученых, аспирантов и студентов. - М., 2003. - Сборник трудов №1. - С. 195-197.

6. Гапанюк Ю.Е. Язык описания автоматизированных учебных пособий ECML // Научный вестник МГТУ ГА. - М., 2004. - № 77 (4). - С. 80-81.

7. Гапанюк Ю.Е. Создание конструктора учебных пособий с использованием Microsoft Office InfoPath //Технологии Microsoft в теории и практике программирования: Тез. докл. Всероссийской научно-технической конференции. -М, 2005.-С. 122.

щ11782

Принято к исполнению 10/05/2006 Заказ №384

Исполнено 11/05/2006 Тираж: 100 экз.

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Варшавское ш., 36 (495) 975-78-56 (495) 747-64-70 www.autoreferat.ru

Введение.

Глава 1. Анализ существующих подходов к созданию автоматизированных учебников и учебных пособий.

1.1. Определения автоматизированного учебника и учебного пособия.

1.2. Дидактические особенности учебников и учебных пособий.

1.3. Анализ процесса обучения.

1.4. Анализ существующих алгоритмов создания автоматизированных учебников и учебных пособий.

1.5. Обобщенные требования к автоматизированному учебному пособию.

1.6. Использование XML для описания обучающих ресурсов.

1.7. Выводы.

Глава 2. Модель автоматизированного учебного пособия.

2.1. Структурная модель автоматизированного учебного пособия.

2.2. Формализованная модель автоматизированного учебного пособия

2.2.1. Модель обучающего пространства.

2.2.1.1. Модель учебных целей.

2.2.1.2. Модель исходных требований к подготовке обучаемого.

2.2.1.3. Модель учебных материалов.

2.2.1.4. Модель внешних источников.

2.2.1.5. Модель глоссария.

2.2.1.6. Модель контрольных вопросов.

2.2.1.7. Модель внутренних связей.

2.2.1.8. Модель содержания учебного пособия.

2.2.1.9. Модель оценки учебного пособия.

2.2.2. Модель профилей обучаемого и преподавателя.

2.2.3. Модель трека обучения.

2.2.3.1. Модель трека обучаемого.

2.2.3.2. Модель трека учебного пособия.

2.2.3.3. Модель коммуникационного трека.

2.2.4. Модель текущих знаний обучаемого.

2.2.5. Модель профиля учебного пособия.

2.3. Исследование модели учебного пособия с использованием теории алгебр.

2.3.1. Операции на учебных пособиях.

2.3.2. Алгебры на учебных пособиях. Функция от учебных пособий.

2.4. Алгоритмы формирования элементов модели автоматизированного учебного пособия.

2.4.1. Алгоритм опроса обучаемых с использованием блока контрольных вопросов.

2.4.2. Алгоритм формирования дерева текущих знаний обучаемого.

2.4.3. Алгоритм формирования профиля учебного пособия на основе целевой функции.

2.4.4. Алгоритм вычисления функции от учебных пособий.

2.5. Методика создания и использования автоматизированного учебного пособия.

2.6. Выводы.

Глава 3. Язык описания автоматизированных учебных пособий ECML.

3.1. Выбор технологии описания учебной информации.

3.2. Язык описания автоматизированных учебных пособий ECML. ф 3.2.1. Краткое описание РФБН.

3.2.2. Описание языка ECML с использованием РФБН.

3.2.2.1. Типы данных.

3.2.2.2. Синтаксические конструкции языка.

3.2.2.3. Элементы описания обучающего пространства учебного пособия.

3.2.2.4. Информация об учебном пособии.

3.2.2.5. Учебные цели и исходные требования к подготовке обучаемого.

3.2.2.6. Содержание учебного пособия.

3.2.2.7. Обучающие страницы.

3.2.2.8. Учебные элементы. ф 3.2.2.9. Внешние источники.

3.2.2.10. Глоссарий учебного пособия.

3.2.2.11. Контрольные вопросы.

3.2.2.12. Внутренние связи.

3.2.2.13. Оценка учебного пособия.

3.2.2.14. Ссылки на элементы обучающего пространства.

3.2.2.15. Профили обучаемых и преподавателей.

3.2.2.16. Трек обучения.

3.2.2.17. Описание текущих знаний обучаемого.

3.2.2.18. Профиль учебного пособия.

3.2.3. Графическое представление языка ECML.

3.3. Выводы.

Глава 4. Система создания и просмотра автоматизированных учебных пособий.

4.1. Подсистема создания пособий.

4.2. Подсистема просмотра пособий.

4.3. Выводы.

Глава 5. Создание автоматизированного учебного пособия «Введение в технологию XML».

5.1. Разработка обучающего пространства пособия.

5.1.1. Создание дерева целей обучения.

5.1.2. Разработка содержания учебного пособия.

5.1.3. Создание обучающих страниц.

5.1.4. Определение внешних источников учебного пособия.

5.1.5. Создание глоссария учебного пособия. ф 5.1.6. Разработка наборов и блоков контрольных вопросов.

5.1.7. Создание внутренних связей между элементами учебного пособия.

5.1.8. Определение показателей и целевых функций для оценки элементов обучающего пространства учебного пособия.

5.2. Регистрация преподавателей и обучаемых.

5.3. Обучение.

5.4. Подведение итогов обучения.

5.5. Оценка учебного пособия.

5.6. Разработка учебного пособия «Введение в технологию XML» с помощью системы ATutor.

5.7. Выводы.

В последнее время, в связи с развитием Интернет, активно развивается обучение через Сеть. Возникает потребность в разработке специализированного программного обеспечения, предназначенного для обучения с использованием технологий Интернет.

В соответствии с [32,47 и 69] программное обеспечение автоматизированного обучения можно разделить на четыре основные группы:

1. Программное обеспечение планирования и управления обучением, которое предназначено для составления расписания, ведения информации об обучаемых и т.д.

2. Программное обеспечение, обеспечивающее компьютерное обучение, которое включает в себя автоматизированные учебники, учебные пособия и тестирующие программы.

3. Программное обеспечение, реализующее связь между участниками обучения, такое как электронная почта, конференции, Internet Relay Chat.

4. Электронная библиотека, которая содержит электронные варианты бумажных учебных пособий, автоматизированные учебники и учебные пособия, тестирующие программы.

Предметом рассмотрения данной работы являются автоматизированные учебные пособия.

В соответствии с [6] автоматизированные учебники и учебные пособия обладают следующими преимуществами перед обыкновенными бумажными учебниками:

1. Возможность поиска по тексту.

2. Возможность использования гипертекста.

3. Возможность использования мультимедиа.

4. Возможность моделирования изучаемых процессов.

Автоматизированные учебники и учебные пособия на базе Интернет-технологий также обладают рядом преимуществ по сравнению с обычными автоматизированными учебниками:

1. Возможность оперативного обновления учебных материалов, так как учебные материалы хранятся в единственном экземпляре на сервере.

2. Решение проблемы совместимости программного обеспечения.

Для просмотра учебного пособия, реализованного с использованием Web-технологии, требуется только Web-броузер. Различные реализации Web-броузеров существуют для большинства современных операционных систем.

3. Возможность включения в учебное пособие ссылок в Интернет, что позволяет многократно использовать существующие учебные материалы.

Актуальность работы состоит в том, что в настоящее время автоматизированные учебные пособия, как правило, создаются с использованием формата HTML. Однако формат HTML обладает рядом недостатков и позволяет реализовать лишь базовые функции, характерные для автоматизированных учебных пособий.

К основным недостаткам таких пособий можно отнести:

1. Отсутствие контекстного поиска по учебным материалам.

2. Недостаточное удобство при изменении учебных материалов (в частности гипертекстовых ссылок).

3. Отсутствие компоненты, позволяющей сохранять информацию, необходимую для дальнейшей доработки и создания следующих версий пособия.

Таким образом, возникает необходимость разработки автоматизированных учебных пособий, в которых были бы устранены указанные недостатки. В данной работе в качестве альтернативы использованию формата HTML разрабатывается язык описания учебных пособий на основе модели данных XML.

Целью работы является создание модели и средств описания автоматизированного учебного пособия, ориентированного на использование технологий Интернет, которое в процессе обучения позволяет сохранять информацию, необходимую для дальнейшей доработки и создания следующих версий пособия.

В работе решаются следующие задачи:

1. формирование требований к автоматизированному учебному пособию;

2. создание модели автоматизированного учебного пособия;

3. исследование возможности выполнения операций на учебных пособиях;

4. создание языка описания учебных пособий на основе модели данных XML;

5. разработка системы создания и просмотра автоматизированных учебных пособий;

6. практическая апробация на примере автоматизированного учебного пособия «Введение в технологию XML».

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана модель автоматизированного учебного пособия, позволяющая формально описать учебное пособие и результаты обучения. Разработанная модель включает ряд подмоделей: модель обучающего пространства пособия, модель трека обучения, модель текущих знаний обучаемого, модель профиля учебного пособия.

2. Проведено исследование модели с использованием теории алгебр. Введены алгебры на учебных пособиях и функция от учебных пособий, которые позволяют получать новые пособия на основе существующих с помощью операций объединения, пересечения, разности и симметрической разности; получать профили пособия для различных групп обучаемых.

3. Разработаны алгоритмы: опроса обучаемых с использованием блока контрольных вопросов, формирования дерева текущих знаний обучаемого, формирования профиля учебного пособия, вычисления функции от учебных пособий.

4. Создан язык описания автоматизированных учебных пособий ECML, что позволило решить задачу автоматизации создания учебных пособий и упростить разработку системы создания и просмотра автоматизированных учебных пособий.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработана методика создания и использования автоматизированного учебного пособия, учитывающая особенности предложенной модели. Особенностью методики является возможность оценки учебных материалов в процессе обучения, что позволяет определять недостатки текущей версии пособия.

2. Разработана система создания и просмотра автоматизированных учебных пособий, реализующая методику создания и использования автоматизированного учебного пособия с помощью разработанного языка ECML. Система состоит из подсистемы создания пособий, реализованной с использованием Microsoft InfoPath, и подсистемы просмотра пособий, реализованной в виде Web-приложения на платформе Java с использованием технологии Java Server Pages.

Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах.

Краткое содержание диссертации:

Диссертационная работа содержит пять глав. В первой главе дается определение автоматизированного учебника и автоматизированного учебного пособия, проводится анализ существующих подходов к разработке автоматизированных учебников и учебных пособий, формулируются основные требования к автоматизированному учебному пособию.

Во второй главе разрабатывается модель автоматизированного учебного пособия, предназначенная для описания учебных пособий и результатов обучения. Модель автоматизированного учебного пособия включает в себя: модель обучающего пространства учебного пособия, модель трека обучения, модель текущих знаний обучаемого, модель профиля учебного пособия. Проводится исследование модели учебного пособия с использованием теории алгебр, определяется функция от учебных пособий.

Разрабатываются алгоритмы, необходимые для реализации моделей: алгоритм опроса обучаемых с использованием блока контрольных вопросов, алгоритм формирования дерева текущих знаний обучаемого, алгоритм формирования профиля учебного пособия, алгоритм вычисления функции от учебных пособий. Разрабатывается методика создания и использования автоматизированного учебного пособия.

В третьей главе обосновываются преимущества модели данных XML по сравнению с реляционной моделью для описания учебных пособий, разрабатывается язык описания учебных пособий ECML.

В четвертой главе рассматривается система создания и просмотра автоматизированных учебных пособий, которая реализует методику создания и использования автоматизированного учебного пособия с помощью языка ECML.

В пятой главе приводится пример создания автоматизированного учебного пособия «Введение в технологию XML» и обучения с использованием данного пособия.

В разделе «Заключение» сформулированы основные выводы и результаты работы.

5.7. Выводы

• С использованием системы создания и просмотра автоматизированных учебных пособий разработано пособие «Введение в технологию XML», проведено обучение с помощью данного пособия, сформированы модели текущих знаний обучаемых, выделены недостатки текущей версии пособия.

• Результаты апробации показали эффективность разработанных модели, методики, языка и системы для создания автоматизированных учебных пособий.

Заключение

В работе получены следующие результаты:

1. Сформулированы обобщенные требования к автоматизированному учебному пособию, которые явились основой для разработки структурной модели автоматизированного учебного пособия.

2. Разработана формализованная модель автоматизированного учебного пособия, включающая подмодели обучающего пространства пособия, трека обучения, текущих знаний обучаемого, профиля учебного пособия.

3. Проведено исследование формализованной модели с использованием теории алгебр. Введены алгебры и функция от учебных пособий, которые позволяют получать новые пособия на основе существующих с помощью операций объединения, пересечения, разности и симметрической разности; получать профили пособия для различных групп обучаемых. Использование алгебраического подхода позволяет решить различные задачи с помощью единого алгоритма вычисления функции от учебных пособий.

4. Созданы алгоритмы опроса обучаемых с использованием блока контрольных вопросов, формирования дерева текущих знаний обучаемого, формирования профиля учебного пособия.

5. Разработана методика создания и использования автоматизированного учебного пособия, включающая разработку учебного пособия, обучение, подведение итогов обучения и оценку учебного пособия.

6. Разработан язык ECML, реализующий формализованное описание пособия в терминах XML. Язык ECML включает элементы, предназначенные для описания обучающего пространства пособия, трека обучения, текущих знаний обучаемого, профиля учебного пособия.

7. Разработана система создания и просмотра автоматизированных учебных пособий, реализующая методику создания и использования автоматизированного учебного пособия с помощью разработанного языка ECML. Система состоит из подсистемы создания пособий, реализованной с использованием Microsoft InfoPath, и подсистемы просмотра пособий, реализованной в виде Web-приложения на платформе Java с использованием технологии Java Server Pages.

8. С использованием системы создания и просмотра автоматизированных учебных пособий разработано пособие «Введение в технологию XML». Проведено обучение с помощью данного пособия, сформированы модели текущих знаний обучаемых, определены недостатки текущей версии пособия. Опытная эксплуатация показала эффективность применения разработанных модели, методики, языка и системы для создания автоматизированных учебных пособий. Результаты работы используются в Главном центре информатизации Банка России, Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана и Московском государственном техническом университете гражданской авиации.

1. Агеев В.Н. Электронные учебники и автоматизированные обучающие системы: Лекция-доклад. Всерос. школа-семинар «Информ.технологии в упр.качеством образования и развитии образоват.пространства». - М., 2001.-79 с.

2. Анциферов А.А. Математические модели и программное обеспечение автономных систем обучения: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.13.11. М., 2001. - 16 с.

3. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 2003.-616 с.

4. Бежанова М.М., Квашнин Г.А., Москвина JI.A. Разработка компьютеризованных обучающих курсов в среде Windows. -Новосибирск, 1997. 22 с. (Препринт Российской АН, 1088).

5. Белоусов А.И., Ткачев С.Б. Дискретная математика: Учеб. для вузов /Под ред. B.C. Зарубина, А.П. Крищенко. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 744 с.

6. Беляев А.А., Коротеева Е.Г. Обучение, компьютеры, Интернет. // КомпьютерПресс. 1997. - №9. - С. 12 - 15.

7. Валиков А.Н. Технология XSLT. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 544 с.

8. Воронин Ю.А. Технические и аудиовизуальные средства обучения. -Воронеж: Изд-во Воронеж, гос. Пед. ун-та, 2001. 136 с.

9. Гаврилова Т.А., Зудилова Е.В., Ильясов М.З. Интеллектуальные и обучающие системы: Учеб. пособие. СПб, 1996. - 110 с.

10. Гайнетдинов М.Л., Иванов. Ю.С. Элементы теории систем автоматизированного обучения. Казань: Дента, 1995. - 103 с.

11. Гапанкж Ю.Е. Архитектура автоматизированного учебного пособия на основе технологии XML // Информатика и системы управления в XXI веке: Труды молодых ученых, аспирантов и студентов. М., 2003. -Сборник трудов №1. - С. 195-197.

12. Гапанюк Ю.Е. Использование технологии XML для разработки обучающей системы на базе Internet //Гражданская авиация на рубеже веков: Тез. докл. Международной научно-технической конференции. -М., 2001.-С. 228.

13. Гапанюк Ю.Е. Модель описания обучающего пространства автоматизированного учебного курса // Интеллектуальные технологии и системы: Сборник статей аспирантов и студентов. /Сост. и ред. Ю.Н.Филипповича. М.: Изд-во МГУП, 2002. - Вып.4. -С. 128-141.

14. Гапанюк Ю.Е. Обзор подходов к построению Internet-учебников //Проблемы построения и эксплуатации систем обработки информации и управления: Сб. статей. /Под ред. В.М. Черненького. М.: Изд-во ООО «Эликс+», 2001. - Вып.2. - С. 75-80.

15. Гапанюк Ю.Е. Основы построения Internet-учебников // 170 лет МГТУ им Н.Э. Баумана: Тез. докл. всерос. научно-технической конференции. -М., 2000. Ч. 1.-С. 36.

16. Гапанюк Ю.Е. Язык описания автоматизированных учебных пособий ECML И Научный вестник МГТУ ГА. М., 2004. -№77 (4).-С. 80-81.

17. Голубятников И.В. Основные принципы проектирования и применения мультимедийных обучающих систем. М.: Машиностроение, 1999. -318с.

18. Горбаченко И.М. Методы моделирования процесса обучения и разработка интерактивных обучающих курсов: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.13.01. Красноярск, 2001.-22с.

19. Гостин A.M. Математическое и программное обеспечение операциональной модели обучаемого и ее синтез в программных приложениях открытой гипермедийной среды: Автореферат диссертации на соиск. уч. степени канд. техн. наук: 05.13.11. Рязань, 2000. - 20 с.

20. Грейвс М. Проектирование баз данных на основе XML: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2002. - 640 с.

21. Гретцер Г. Общая теория решеток: Пер. с англ./ Под ред. Д.М. Смирнова. М.: Мир, 1981.-456 с.

22. Гришкина М.П. Разработка логических моделей и алгоритмов обучения: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.13.11.-М., 2001.- 18 с.

23. Губин С.Ю., Матчин В.Т., Мордвинов В.А. Интернет-технологии в высшей школе в период реформирования российского образования. М.: НИИВО, 1998.-56 с.

24. Данчул А.Н., Полуян Л.Я. Системо-технические задачи создания САПР // Разработка САПР; В 10 кн. /Под ред. А.В. Петрова. М.: Высш. школа, 1990.-Кн.2.- 144 с.

25. Дистанционное обучение. Опыт, проблемы, перспективы /Ю.И.Лобанов, О.П. Крюкова, Т.А. Тартарашвили и др. М.: НИИВО, 1996. - 108 с.

26. Долгих Д.В. Автоматизация проектирования компонентов дистанционного обучения и диагностики качества знаний специалистов: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.13.12; 05.13.10.-Воронеж, 1998.- 16с.

27. Домненко В.М., Бурсов М.В. Создание образовательных интернет-ресурсов: Учеб. пособие. СПб., 2002. - 100 с.

28. Дорофеев А.А. Дидактические основы проектирования учебной литературы по дисциплинам специальности технического университета. М.: Изд-во МГТУ им Н.Э.Баумана, 2002. - 272 с.

29. Дунаев С.Б. Технологии Интернет программирования. - СПб.: БХВ-Петербург, 2001.-480 с.

30. Зайнутдинова JI.X. Создание и применение электронных учебников: На примере общетехн. дисциплин. Астрахань: ООО «ЦНТЭП», 1999. -363 с.

31. Карлащук В.И. Обучающие программы. -М.: Солон-Р, 2001.-528с.

32. Компьютерные технологии в дистанционном обучении /В.В. Семенов и др. М.: НИИВО, 1997. - 64 с.

33. Кручинин В.В. Разработка компьютерных учебных программ. Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1998. - 210 с.

34. Латышев B.JI. Технологии обучения: формирование и развитие. М.: Изд-во МАИ, 1995.-43 с.

35. Леонова Н.М. Методы разработки и применения многофункциональных сетевых электронных учебников: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.13.06; 05.13.11. М., 1999. - 24 с.

36. Ляпиков В.И., Дворецкий С.И., Стул Ю.З. Основные этапы разработки и внедрения учебных курсов для автоматизированных обучающих систем. Тамбов: ТИХМ, 1985. - 20 с.

37. Меняев М.Ф. Компьютеризация технологии обучения: Учеб. пособие для политехи. Вузов М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1991. - 69 с.

38. Мещеряков Е.В., Хомоненко А.Д. Публикация баз данных в Интернете. -СПб.: БХВ-Петербург, 2001. 560с.

39. Мисякова Г.Т. Технология разработки обучающих программ по средствам вычислительной техники: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.13.11. Минск, 1991. -16 с.

40. Михеева Т.И. Разработка методов и средств построения компьютерных обучающих систем на основе гипертекстовых моделей: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.13.16. -Самара, 1996.- 15 с.

41. Надточий И.Л. Информационные и Internet-технологии в образовании: Учебное пособие. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1999. - 75 с.

42. Нежурина М.И. Принципы организации и разработка специализированной информационно-образовательной среды для дистанционного обучения: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.13.11. М., 1998. - 18 с.

43. Нефедов В.Н., Осипова Т.А. Курс дискретной математики: Учеб. пособие. М.: Изд-во МАИ, 1992. - 264 с.

44. Норенков И.П., Зимин A.M. Информационные технологии в образовании. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 352 с.

45. Норенков И.П., Трудоношин В.А. Телекоммуникационные технологии и сети. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. - 232 с.

46. Норенков Ю.И. Исследование и разработка принципов построения адаптивных обучающих систем: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук:05.13.11.-М.,1993.-20с.

47. Опыт организации обучения в высокотехнологичных информационных средах /Л.И. Григорьев, Ю.И. Лобанов, Т.А. Тартарашвили и др. М.: НИИВО, 1998.-60 с.

48. Осипова Е.М. Разработка объектных моделей для автоматизации анализа и проектирования систем дистанционного обучения: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.13.16. -СПб., 2000.-19 с.

49. ОСТ ВШ 01.002-95. Информационные технологии в высшей школе. Термины и определения. М., 1995. - 24с.

50. Питц-Моултис Н., Кирк Ч. XML: Пер. с англ. СПб.: БХВ-Петербург, 2000. - 736 с.

51. Полилова Т. А. Инфраструктура образовательного Интернет-пространства. М., 2000. - 28 с. (Препринт Института прикладной математики им. М.В.Келдыша, 49 за 2000 г.).

52. Петров А.В., Черненький В.М. Проблемы и принципы создания САПР // Разработка САПР; В 10 кн. /Под ред. А.В. Петрова. М.: Высш. школа, 1990.-Кн.1.-143 с.

53. Рященцев Д.В. Адаптивная дистанционная обучающая система, основанная на структурном анализе предметной области: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.13.01. -СПб., 2001.-15 с.

54. Савельев А.Я., Новиков В.А., Лобанов Ю.И. Подготовка информации для автоматизированных обучающих систем: Методическое пособие для преподавателей и студентов ВУЗов /Под ред. А.Я. Савельева. М.: Высшая школа, 1986. - 176 с.

55. Свиридов А.П. Основы статистической теории обучения и контроля знаний: Метод. пособие. М.: Высш. школа, 1981. - 262 с.

56. Селюн Н.М., Селюн М.И. О формализации сценариев компьютерных обучающих курсов. М.: ВЦ им. А.А. Дородницына РАН, 2003. - 43 с.

57. Селюн Н.М., Селюн М.И. Технология проектирования компьютерных обучающих курсов с использованием специализированной интегрированной среды. М.: ВЦ им. А.А. Дородницына РАН, 2003. -60 с.

58. Сивохин А.В. Представление знаний в интеллектуальных системах обучения: Учеб. пособие. Пенза, 1990. - 87 с.

59. Смирнов В.М., Керов JI.A., Дерюшев В.А. Создание Windows и Internet -приложений в виде виртуальных книг: Учебное пособие. СПб.: ЭЛБИ, 1998.-254 с.

60. Солдатова Л., Шевченко И. Классификации учебных задач с использованием модели обучаемого. Владивосток, 1997. - 33 с. (Препринт Дальневосточного ун-та, КИ-97-1).

61. Солнцева Я.В. Разработка и исследование методов и инструментальных средств обучения инженерным дисциплинам: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.13.15. Владивосток, 1996.- 18 с.

62. Соловов А.В. Проектирование компьютерных систем учебного назначения: Учебное пособие. Самара: СГАУ, 1995. - 138 с.

63. Средства дистанционного обучения. Методика, технология, инструментарий /С.В. Агапонов, З.О. Джалиашвили, Д.Л. Кречман и др. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 336 с.

64. Стефанюк В.Л. Теоретические аспекты разработки компьютерных систем обучения. Саратов: Изд-во Саратов, ун-та, 1995. - 36 с.

65. Тиффин Д., Раджасингам JI. Что такое виртуальное обучение. Образование в информационном обществе: Пер.с англ. М.: Информатика и образование, 1999. - 311 с.

66. Тихомирова А.Н. Синтез корректных формальных описаний распределенных обучающих систем: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.техн.наук: 05.13.11.—М., 2001.- 20с.

67. Тургунов A.M. Модели, методы и средства создания гипермедиальных электронных книг учебного назначения: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.25.05. Киев, 1994. - 17 с.

68. Усков B.J1. Дистанционное инженерное образование на базе Интернет. -М.: Машиностроение, 2000. 64 с.

69. Фокин Ю.Г. Психодидактика высшей школы: психологодидактические основы преподавания. М.: Изд-во МГТУ им Н.Э.Баумана, 2000. - 424 с.

70. Харрари Ф. Теория графов: Пер. с англ. М.: Едиториал УРСС, 2003. -296 с.

71. Шугрина М.В. Многокритериальная оценка качества и оптимальный выбор авторских инструментальных систем для создания компьютерных учебных программ: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.13.14. М., 1995. - 16 с.

72. Berners-Lee Т., Fielding R., Masinter L. Uniform Resource Identifiers (URI): Generic Syntax. Cambridge, Mass., 1998. - 40 p. //www.ietf.org/rfc/rfc2396.txt

73. Biron P., Malhotra A. XML Schema Part 2: Datatypes. W3C Recommendation. Cambridge, Mass., 2001. - 98 p. //www. w3 .org/TR/2001 /REC-xmlschema-2-20010502

74. Downes S. Learning Objects: Resources For Distance Education Worldwide. International Review of Research in Open and Distance Learning. Alberta, 2001. - 31 p. // www.icaap.org/iuicode?149.2.1.2.

75. Dubinko M., Klotz L., Merrick R. XForms 1.0. W3C Candidate Recommendation. Cambridge, Mass., 2002. - 93 p. //www.w3.org/TR/2002/CR-xforms-20021112

76. Fritze P., Ip A. Learning Engines a Functional Object Model for Developing Learning Resources for the WWW // ED-MEDIA & ED-TELECOM 98. -Freiburg, 1998.-P. 53-58.

77. Kiyama M., Ishiuchi S. A Visual Authoring Tool for the Web-Based Intelligent CAI and its Evaluation // ED-MEDIA & ED-TELECOM 98. -Freiburg, 1998.-P. 31-37.

78. Nakabayashi K., Hoshide T. An Object-Oriented Architecture for a Web-based CAI System // ED-MEDIA & ED-TELECOM 98. Freiburg, 1998. -P. 38-45.

79. Verhoeven A., Warendorf K. Education and Spatial Hypermedia: The HyperMap Browser // ED-MEDIA & ED-TELECOM 98. Freiburg, 1998. -P. 78-83.

80. Clark S., Baggaley J. Assistive Software for Disabled Learners. Athabasca, 2004.- 15 p.

81. Advanced Distributed Learning Initiative. Sharable Content Object Reference Model (SCORM). Overview Book. Version 1.3.1. Alexandria, 2004. - 57 p.

82. Advanced Distributed Learning Initiative. Sharable Content Object Reference Model (SCORM). Content Aggregation Model (CAM) Book. Version 1.3.1. -Alexandria, 2004. 261 p.

83. Advanced Distributed Learning Initiative. Sharable Content Object Reference Model (SCORM). Run-Time Environment (RTE) Book. Version 1.3.1. -Alexandria, 2004. 209 p.

84. Advanced Distributed Learning Initiative. Sharable Content Object Reference Model (SCORM). Sequencing and Navigation (SN) Book. Version 1.3.1. -Alexandria, 2004.-261 p.

85. IEEE 1484.12.1-2002 Learning Object Metadata Standard. New York, 2002. - 44 p.

86. IMS Learning Resource Meta-Data. Version 1.2.1. Final Specification. -2002. 35 p.