автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математические модели и технологии создания сетевых интерактивных ресурсов для систем дистанционного обучения

На правах рукописи

"I

КАСЬЯНОВ ОЛЕГ АНАТОЛЬЕВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ СЕТЕВЫХ ИНТЕРАКТИВНЫХ РЕСУРСОВ ДЛЯ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ

Специальность 05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2003

Работа выполнена на кафедре математических основ управления Московского физико-технического института (государственного университета)

Научный руководитель:

член-корреспондент РАН, доктор физ.-мат. наук, профессор Флёров Юрий Арсениевич

Научный консультант:

канд. физ.-мат. наук, доцент Соболева Наталия Николаевна

Официальные оппоненты:

доктор техн. наук, профессор Стафеев Сергей Константинович

доктор физ.-мат. наук; профессор Серебряков Владимир Алексеевич

Ведущая организация:

Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)

Защита состоится « Ц » 2003 года в час. на засе-

дании диссертационного совета К?212.156.02 в Московском физико-техническом институте по адресу: 141700,

г. Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., д. 9.

С диссертацией можно ознакомиться.в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан « »

Ученый секретарь

диссертационного совета ____, Федько О.С.

2<зе>М

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В последнее время все большее внимание уделяется дополнению системы традиционного образования последними достижениями 1Т индустрии. Глобальная компьютеризация школ, колледжей и высших учебных заведений, способствует широкому распространению электронных средств, используемых для дистанционного обучения. По последним данным, только в русскоязычной сети Интернет насчитывается уже более 50000 серверов, из них не менее 20000 Интернет-проектов посвящено образовательной тематике. Но практически ни одна из существующих систем не может предложить весь спектр образовательных услуг, использующих современные образовательные технологии. Основные недостатки существующих технологических решений, используемых при создании Интернет-ориентированных систем дистанционного обучения:

- недостаточный уровень визуализации; отсутствие интерактивности в процессе обучения;

- отсутствие виртуальных лабораторий, ориентированных на использование в сети Интернет;

- отсутствие технологических решений автоматической генерации Интернет-ресурсов;

отсутствие автоматизированных тестирующих и тренирую-■ ■ щих систем с элементами искусственного интеллекта;

- отсутствие глубокой интеграции между различными технологическими решениями, используемыми в образовательном процессе;

- отсутствие системы визуализации и распознавания сложных математических и химических формул.

Таким образом, наиболее актуальной задачей является разработка инструментальных средств и технологических решений для создания систем дистанционного обучения, которые устраняют перечисленные недостатки и обладают достаточно широкими возможностями интеграции и элементами простейших форм искусственного интеллекта.

Цель работы

Основными целями настоящей диссертационной работы являются проектирование и разработка инструментальных средств и интеграция различных технологий создания систем дистанционного обучения с последующим созданием системы дистанционного образования "Открытый Колледж". Основные задачи работы:

• разработка технологической платформы создания и объединения интерактивных ресурсов для систем дистанционного обучения;

• разработка моделей, методов и программных средств для задания, хранения, сравнения и визуализации сложных математических и химических формул;

• создание на базе разработанных моделей и созданной платформы Интернет-ориентированного автоматизированного тестирующего комплекса, предназначенного для многопользовательского режима доступа;

• оптимизация и развитие инструментальных средств создания интерактивных ресурсов для дистанционного образования;

• разработка инструментальных средств создания виртуальных лабораторий;

• разработка на основе созданных технологий и интерактивных ресурсов Интернет-портал "Открытый Колледж".

Научная новизна

В диссертационной работе разработаны новые оригинальные технологические решения и оптимизированы существующие технологии, представляющие в совокупности готовое средство для разработки многофункциональных Интернет-систем дистанционного обучения. Многие из предложенных решений в настоящее время не имеют аналогов. В работе:

• разработана и развита инструментальная платформа СоигэеМЬ для создания курсов, входящих в состав систем дистанционного обучения.

• разработаны инструментальные средства создания виртуальных лабораторий;

• существенно повышена эффективность инструментальных средств создания интерактивных компонент. Улучшены средства визуализации анимаций, оптимизированы временные показатели работы интерактивных компонент, уменьшен объем готовых пакетов интерактивных компонент.

• разработаны эффективные алгоритмы работы автоматизированных тестирующих и тренирующих систем;

• созданы эффективные средства интеграции технологических решений;

• разработаны новые средства сравнения визуализированных сложных математических формул;

• разработан Интернет-портал "Открытый Колледж" включаю-

ь щий все оригинальные технологические решения, рассмотренные в данной диссертационной работе. ____

Практическая ценность

Созданные и оптимизированные для Интернет-ориентированного использования технологические решения позволяют разрабатывать многофункциональные системы дистанционного образования, отвечающие современным стандартам, принятым в данной области создания систем дистанционного образования.

Инструментальные средства разработки виртуальных лабораторий позволяют решить проблему замены отсутствующего во многих школах, колледжах и институтах лабораторного оборудования. Использование виртуальных лабораторий и интерактивных моделей позволяет наглядно продемонстрировать многие процессы, трудноповторимые в реальных условиях (наиболее яркими примерами являются демонстрации в областях ядерной физики).

Автоматизированные тестирующие и тренирующие системы позволяют улучшить качества обучения с помощью более точного и целенаправленного анализа результатов учащегося и выработки оптимальной учебной траектории для каждого конкретного пользователя.

Предложенные в диссертационной работе математические модели, инструментальные средства и технологические решения использованы при разработке образовательного Интернет-портала "Открытый Колледж", охватывающего более 10 школьных и профессиональных предметов обучения. "Открытый Колледж" включает более 10000 методических и учебных ресурсов. На сегодняшний день образовательными услугами "Открытого Колледжа" пользуются ежедневно более 1000 учащихся. За время существования Интернет-сайта было зарегистрировано более 15000 пользователей из более чем 160 стран мира, в том числе из 250 городов России.

С использованием разработанных и оптимизированных технологических решений были созданы образовательные курсы на GD: «Открытая Биология 2.5», «Открытая Математика 2.5. Функции'и Графики», «Открытая Математика 2.5. Стереометрия», «Открытая Математика 2.5. Планиметрия».

Апробация работы

Результаты по разработке технологических решений и Интернет-портала "Открытый Колледж" докладывались и обсуждались :на научно-технических конференциях: МФТИ (Долгопрудный^ 1999,-2003), «Телематика» (Санкт-Петербург, 2002, 2003), «RELARN». (Нижний Новгород, 2002), «RELARN» (Санкт-Петербург, 2003), «ИНТТО» (Тамбов, 2002).

Интернет-портал "Открытый Колледж" участвовал во многих конкурсах и получил следующие награды и премии:

• номинант Российской Национальной Интернет Премии в 2000, 2001, 2002,2003 годах;

• победитель «Golden Web-2000» в номинации "Лучший проект дистанционного обучения".

• лауреат конкурса "Образование в Рунете" в номинациях "Интернет-ресурсы для средней школы" и "Обучение и тестирование" получил главный приз в номинации "Обучение и тестирование".

Разработанные и оптимизированные технологические решения'в составе образовательных курсов прошли сертификацию в Государст-

венном координационном центре информационных технологий Министерства образования Российской Федерации. Результаты, выносимые на защиту

• развита инструментальная платформа CourseML для создания курсов, входящих в состав систем дистанционного обучения.

• Развиты библиотеки создания интерактивных компонент ОВ-Java 3.0 и Flacon MX.

• Созданы математические модели более чем для 100 интерактивных компонент.

• Разработаны инструментальные средствы для создания виртуальных лабораторий.

• Разработано технологическое решение для автоматизированного сравнения сложных математических и химических формул.

• На базе разработанных и существующих технологий создан Интернет-ориентированный автоматизированный тестирующий комплекс, предназначенный для многопользовательского использования в режиме множественного доступа.

• Разработаны эффективные инструментальные средства создания интерактивных ресурсов.

• Разработаны средства задания, хранения и визуализации сложных математических и химических формул.

• На основе созданных и оптимизированных технологий и интерактивных ресурсов разработана система дистанционного обучения Интернет-портал "Открытый Колледж".

Публикации

По теме диссертации опубликована 21 печатная работа. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех частей, заключения, трех приложений, списка литературы, содержит 28 иллюстраций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении проведен краткий анализ ситуации в России на рынке систем дистанционного обучения. Приведен подробный список с оп-

ределениями и пояснениями используемых в диссертационной работе технических терминов.

В главе 1 проведен всесторонний обзор с рассмотрением и сравнением основных характеристик систем дистанционного обучения (ДО), наиболее известных в настоящее время на российском рынке:

• Система Net School - http://netschool.roos.ru/.

• Система Юниар.Доцент - http://docent.msk.net.fio.ru .

• Система 1 С.Образование - http://repetitor.1c.ru .

• Система Хронобус. Хронограф - http://www.chronobus.ru .

В главе 2 основное внимание уделено планированию и описанию процессов создания и оптимизации основных Интернет-ориентированных технологических решений.

Разработка платформы CourseML:

Основные компоненты и функции, входящие в .состав оболочки CourseML:

• Сетевой тестирующий комплекс. Сетевой тестирующий комплекс, рассмотренный в данной диссертационной работе был разработан на основе существующей тестирующей системы в составе CourseML 3.0 и оптимизирован для работы в сети Интернет. Сетевой тестирующий комплекс является отдельным программным модулем, интегрированным с платформой CourseML с помощью гиперссылки.

• Модуль поддержки интерактивных визуализированных моделей, созданных с помощью Flash и Java технологий. Интерактивные модели представляют собой программные модули, в рамках данной работы специально оптимизированные для работы в системах дистанционного обучения, встроенные внутрь страниц интерфейса платформы CourseML. (пример встраивания Flash-модели в платформу CourseML: cmode.l type="flaconmx" name="phales" width="550" height="400" magnify= "true">).

• Модуль поддержки виртуальных лабораторий, разработанных специально для систем дистанционного обучения. Так же, как и

интерактивные модели, виртуальные лаборатории представляют собой отдельные программные модули, встроенные в страницы платформы CourseML (пример встраивания программного модуля виртуальной лаборатории в платформу CourseML: <modei name="igH" altnumber="" type='applet' magnify="false" code="physicon.

intcpu.simulator.spm.IgSim.IgSimÄpp.class"

library="intcpu.jar, intcpuspm.jar, intcpuspm4.

jar"></model>

• , Функция поддержки электронных учебников в формате XML.

Принципиальная схема электронного учебника была доработана с учетом специфики образовательных предметов, добавляемых в систему дистанционного образования "Открытый Колледж". Электронный учебник написан на языке XML. Вызов электронного учебника в платформе CourseML осуществляется с помощью "тэгов": <а href=". ./content/ content.xml"x/a>

• Функция, поддержки иллюстраций. Иллюстрации встроены в платформу CourseML с помощью тэгов: <img src=""

, . typej="animation"/>. Поддержка иллюстраций доработана, улучшено качество отображения иллюстраций, добавлена функция увеличения иллюстраций на полный экран.

• Функция поддержки редактируемых формул. В процессе оптимизации были улучшены следующие параметры: объем отображаемой иллюстрации, качество отображения, добавлена поддержка более сложных формул. Пример кода формулы, встроенной в платформу CourseML: <math> <seman-tics><mi>s</mix/math>. Визуальный вид формулы:

л 3

Ш=-, SP =--

cos у cos р

Модели, методы и программные средства работы с формулами: В процессе проектирования CourseML мы столкнулись с проблемой ввода формул в интерактивных компонентах. На момент написания диссертационной работы уже был разработан язык MetaTeX, но для Интернет-ориентированного использования формул язык пришлось существенным образом доработать.

Пример использования языка MetaTeX в интерактивных моделях:

rMetaTeXBlock = new SimMetaTeXBlock(this, new Point(x,2*vdistance),Data.METATEX_ PRE-FIX+"\\rho_m\\thinsp =\\thinsp \\sqrt{ Wthinsp m\\cdot\\lambda\\cdot L}"+Data.METATEX_POST FIX,Data.NORMAL_ FONT.getSize(),Data.NORMAL FONT.getName(), DecUtil.ТА MIDDLE | DecUtil.ТА CENTER);

р

Изображение Код MetaTeX

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

Для ввода формул в CourseML было решено использовать технологию MathML, подмножество языка разметки XML, являющегося языком написания платформы CourseML. Для отображения формул в формате MathML в Интернет-страницах (с помощью наиболее распространенных Интернет-обозревателей Internet Explorer и Netscape Navigator) была создана специальная программа, распознающая и конвертирующая текстовое представление формул (MathML) в графический формат (gif, jpg). Структурно MathML состоит из вложенных тегов, среди которых можно выделить контейнеры (<mrow>), теги математических конструкций (<mfrac>, <msup> и т.п.) и теги стилей (<шп>, <mi> и т.п.). За время работы над диссертационной работой, функциональность отображения формул в формате MathML была существенно расширена.

<math displaystyle='true'> <seman-tics><mrowxmi>S</miXmi>N</miXmo>= </moxmf racXmi>a</mixmrowXmo>cos</mo> <mi>&gaitima; </mi></mrowX/mfrac><mn>, &nbs p; Snbsp; &nbsp; </mn><rai>S</mixmi>P</mi>< mo>=</mo><mfrac><mi>a</mixmrow><mo>cos< /moXmi>&beta; </mix/mrowx/mf rac><mn>, < /mn></mrowx/semanticsx/math>.

a a Slf=-. SP =-—, cos у cos p

Изображение Код MathML

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

Модифицированный сетевой тестирующий комплекс: Сетевой тестирующий комплекс был разработан на основе тестирующей системы, интегрированной в CourseML. В настоящее время сетевой тестирующий комплекс представляет собой отдельный модуль, оптимизированный для работы в сети Интернет. Сетевой тестирующий комплекс разработан с использованием следующих технологий: о Языки программирования: SUN Java VM версии 1.4.1, XML, HTML. Выбранные языки программирования наиболее оптимально осуществляют взаимодействие с другими приложениями платформы CourseML. Кроме того, данные технологии изначально разрабатывались в качестве языков для Интернет-приложений.

о HTTP сервер: JBoss версии 3.0.x; Tomcat версии 4.1.x. При выборе HTTP сервера, учитывались такие факторы, как совместимость с большим числом различных серверных операционных систем, легкость в инсталляции сервера на компьютер и простота администраторского управления, о База данных: Firebird; MySQL. При выборе сервера баз данных основное внимание уделялось производительности работы и поддержке транзакций выполняемых операций. Технологический инструментарий создания интерактивных компонент (библиотеки OBJava и Flacon):

Под интерактивными компонентами подразумеваются интерактивные модели, визуализирующие различные процессы и явления на основе разработанной математической модели. Стандартные модели на OBJava3 строятся по некоторой определенной схеме. Это озна-

чает, что у всех моделей должны присутствовать определенные классы с одинаковыми названиями. Также создается и стандартный html -файл, содержащий скрипты начальных параметров модели. Основным классом любой модели, написанной с помощью библиотеки OBJava3, является наследник абстрактного класса SimAppiet, который называется HostApplet. В этом классе располагается поддержка скриптов (если они подразумеваются в модели). Кроме того, HostApplet содержит в себе "тело" симуляции, класс Host. Для его создания реализовывается абстрактный метод SimApplet.createHost(). Он создает экземпляр класса Host и возвращает ссылку на него. Вся функциональность (кнопки, окна, картинки, контролы и пр.) содержится в классе Host. Для хранения статических констант создается класс Data. Кроме того, для облегчения перевода моделей на другие языки все текстовое содержание модели вынесено в отдельные ресурсы. Для обработки файла с ресурсами Resources создан класс с таким же названием.

В процессе выполнения работы были оптимизированы алгоритмы работы интерактивных моделей, уменьшено времени загрузки моделей, что наиболее важно для Интернет-приложений.

Flacon - библиотека, основанная на базе технологии Macromedia Flash MX, предназначена для быстрого создания интерактивных анимаций, объединяет в себе анимационные возмржности Flash и возможность быстрого и удобного конструирования " стандартного пользовательского интерфейса. Основная задача создания библиотеки - максимально использовать возможности Macromedia Flash MX для создания интерактивных обучающих моделей.

Структурно библиотеки Flacon MX представляет набор отдельных модулей, объединенных ядром библиотеки. Ядро библиотеки Flacon MX - это базовая часть библиотеки, реализующую собственно поддержку написания моделей. Она не включает в себя сопутствующие модули, такие как библиотека графиков FlaG, библиотека визуализации формул FlaTeX и т.д. Ядро библиотеки Flacon MX включает в себя все минимально необходимое для создания полноценных обучающих моделей на Flash MX.

Ядро библиотеки содержит несколько основных частей^

• Часть, ответственная за посылку сообщений и другие низкоуровневые функции;

• Части, ответственные за локализацию и загрузку ресурсов и параметров, за демонстрацию ФлаТеХ-формул и собственно управляющих элементов.

Многие их описанных компонент были созданы за время написания данной диссертационной работы. Кроме этого разработаны дополнительные алгоритмы улучшения качества отображения анимаций. * Технологический инструментарий создания виртуальных лабора-

торий:

Виртуальные лаборатории имеют принципиальное отличие от описанных интерактивных Java- и Flash-моделей. С развитием интерактивных технологий, встала проблема реализации так называемых физических "конструкторов". Основное отличие от простых интерактивных приложений заключается в увеличении степеней свободы в работе с моделью. Компоненты виртуальной лаборатории не должны быть жестко связаны между собой. Т.е. виртуальная лаборатория обладает набором нескольких десятков отдельных элементов, имеющих свои правила взаимодействия с другими объектами. Кроме этого должны быть описаны все возможные связи между объектами. Отличительно^ чертой виртуальной лаборатории является сложнейшая математическая модель.

Виртуальные лаборатории включают следующие визуальные компоненты:

• Applet, на котором располагается симулятор, размещающий на себе дерево объектов,

• палитры (по терменалогии Windows - toolbar) размещающие на ' себе меню с кнопками,

• диалоги для изменения свойств элементов; » •*., управляющие элементы.

В главе 3 приводятся практические результаты реализации описанных технологических решений.

Основным практическим результатом, полученным в результате выполнения диссертационной работы, является создание модулей

системы дистанционного обучения и в частности Интернет-портала "Открытый Колледж". Платформа CourseML является связующим звеном отдельных компонент Интернет-портала:

• сетевой тестирующий комплекс;

• виртуальные лаборатории;

. • интерактивные модели на основе библиотек OBJava (Java аппле-

ты) и Flacon (Flash анимации);

• формулы, записанные в формате MathML;

• иллюстрации.

Пример математической модели интерактивного ресурса "Распределение Максвелла":

Распределение Максвелла - равновесное распределение частиц газа по скоростям. Оно определяет относительное число частиц, имеющих скорость в некотором заданном интервале скоростей. Используется двумерная модель идеального газа. Полученные в результате компьютерного эксперимента гистограммы сравниваются с теоретическими кривыми.

В начальный момент времени всем частицам сообщается одинаковая по величине скорость, соответствующая среднеквадратичному значению при данной температуре. На экране дисплея можно наблюдать в динамике, как при достаточно большом числе соударений устанавливается равновесное 1 распределение по скоростям - газ «максвеллизируется».

Как известно, при нормальных условиях 1см3 воздуха додержит 2,71019 молекул, каждая из которых испытывает в среднем 109 соударений в секунду. !

При таких условиях возможно только статистическое описание системы. В молекулярно-кинетической теории доказывается, что любая из проекций скорости имеет нормальное (гауссово) распределение. Вероятность того, что проекция скорости vx заключена в интервале [vx, vx+dvx] равна:

dP(vx) = ç(vx)dvx = д/l / (2л- < v2x >) exp{-v* /2<v2x >}dvx где <vx2> = kT/m,' k - постоянная Больцмана, равная 1.38 10"23 Дж/К = 1.38

10'16 Эрг/К. Величина л[<у1> есть среднеквадратичное значение компоненты скорости ух.

Функция <р(ух) имеет смысл плотности вероятности. Она выражает Гауссов закон распределения компоненты скорости ух На каждую степень свободы приходится кинетическая энергия 1/2кТ. Двухмерное распределение:

¿Р(Ух,*у) = <Р(Ух)<Р(Уу№х**у Выполняя интегрирование: /(V) = (т/ кТ)ехр{-тг21 (2кТ)}у

Функция й(у) - двумерное распределение Максвелла или распределение Релея. Данную функцию удобно записать в виде: /(V) = (2/ < V2 >)ехр{-у2/ < V2 >}у

При компьютерном моделировании распределения Г(у) удобно вместо плавных кривых строить гистограммы, которые получаются при разбиении оси V на одинаковые интервалы Аг.. На гистограмме изображается относительное число частиц, попавших в интервал Ау; в данном опыте.

В программе предусмотрена возможность изменения температуры газа Т и общего числа молекул в сосуде N.

Можно проследить за изменением теоретических кривых и экспериментальных гистограмм распределения Максвелла с ростом температуры (уменьшение высоты максимума и увеличение ширины распределения). Возможно сравнить форму распределений для газов с различными молекулярными массами: с увеличением массы газа кривая распределения становится выше и уже, а ее максимум смещается в сторону более низких скоростей.

Пример использования сетевого тестирующего комплекса

Для начала работы в сетевом тестирующем комплексе, пользователю предлагают зарегистрироваться, введя следующие данные (рис. 1):

• Логин - имя-идентификатор пользователя в сетевом тестирующем комплексе.

Пароль - пароль, который каждый раз пользователь будет вводить при входе в сетевой тестирующий комплекс. Подтвердите пароль - подтверждение пароля необходимо, так как пользователь может ошибиться при вводе пароля и не сможет зайти в следующий раз в систему.

E-mail - электронный адрес (поле не является обязательным) для связи с пользователем в случае необходимости.

Здравствуете. ^в*ж»емый пользовали^

Пол?. лом*ч«нно* звездочкой С)■ ввлмтси необ*з«т»льны* для заполнения!

Логин: ШЯЯШЯШЯЯвЯ Пароль: JHBHHBHHH

Подтвердит* пароль:

"E-mail: мшммнммнмм

Maiv'WManbNO«;- \<'т. ; ч ИМЬ-.Ч'ОР tv» W'i - '¿(J a дг)* ГД'Л:' у - ' /

Рисунок 1. Диалог регистрации После регистрации пользователь попадает на центральную страницу сетевого тестирующего комплекса. Мы видим, что помимо функций, отвечающих за процесс тестирования, пользователю предоставляется большое количество дополнительных возможностей (рис. 2). Справа на экране приведен рейтинг пользователей, участвующих в решении задач и ответах на вопросы сетевого тестирующего комплекса.

Лучши»10 j Логин Р»ктимг!

< I . i—L. <«•> I

Рисунок 2. Центральная страница сетевого тестирующего комплекса.

16

Для создания контрольной работы, состоящей из вопросов и задач, пользователю необходимо ввести следующие параметры (рис. 3):

• Количество вопросов в тесте.

• Предмет.

• Тема.

• Уровень. _

ШЭИШ!

Рисунок 3. Параметры контрольной работы После создания контрольной работы, пользователь может приступить к ответам на вопросам. За каждый правильный и неправильный ответ будут соответственно прибавляться или вычитаться баллы в зависимости от сложности вопроса или задачи (рис. 4).

Еснрсгы те.;тг 01эаК39ЭВ?

Дате 25.>.'6 20'.С

Рэи.'-чл физика Т*ма любая У^О",.....> любой

Вопрос 3 Вопрос^ Вопрос 5

Контрольная работа.

Н.и< н/пышкиицв^янит »ммяимиЯ жункыилятдиан! улор с* >*хегла с -«ав Гри схиоленм на н/тпя амго п гое* чвре

I«—»1

Вопрос по физике

Рисунок 4.

1' I, ||

Пример использования виртуальной лаборатории по физике.

Интерфейс виртуальной лаборатории состоит из следующих основных функциональных блоков (рис. 5):

• Поле эксперимента с расположенными элементами, моделирующими те или иные физические объекты.

• Меню управления виртуальной лабораторией.

• Меню управления состоянием виртуальной лаборатории.

В приложении 1 приведено подробное описание формата ввода формул Ме1аТеХ.

В приложении 2 приведено описание основных тегов оболочки СоигееМЬ.

В приложении 3 приведено описание полной структуры библиотеки СШауа.

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

* «¡и

Рисунок 5 Виртуальная лаборатория "Волновая ванна"

2. Созданы модели, методы и эффективные программные средства для задания, хранения и визуализации сложных математических и химических формул.

3. Разработаны модели, программные средства и технология для автоматизированного распознавания сложных математических и химических формул.

4. Разработаны инструментальные средства в рамках платформы СоигееМЬ и технология их использования для создания и объединения интерактивных ресурсов систем дистанционного обучения.

5. На базе разработанных и существующих технологий создан Интернет-ориентированный автоматизированный тестирующий комплекс, предназначенный для многопользовательского использования в режиме множественного доступа.

6. дополнены и оптимизированы инструментальные средства создания интерактивных ресурсов. Работоспособность и эффективность технологий подтверждены примерами разработки интерактивных моделей, включающих подробные описания выборочных отрывков исходных кодов программ.

7. Разработаны инструментальные средстваё для создания виртуальных лабораторий. Детально разработана технология и приведены , подробные описания исходного кода наиболее важных составляющие программных элементов виртуальных лабораторий.

8. На основе созданных и оптимизированных технологий и интерактивных ресурсов разработана система дистанционного обучения Интернет-портал "Открытый Колледж".

В рамках диссертационной работы на основе перечисленных выше

инструментальных средств созданы:

1. Около 20 виртуальных лаборатории по физике.

2. , Более 100 новых интерактивных учебных моделей по математи-

ке и физике.

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

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

5. Электронные учебники, интерактивные модели и методические материалы, входящие в состав курсов: «Открытая Математика 2.5 Функции и Графики», «Открытая Математика 2.5 Стереометрия» «Открытая Математика 2.5 Планиметрия».

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Соболева H.H., Гомулина H.H., Брагин В.Е., Мамонтов Д.И., Касьянов O.A. Электронный учебник нового поколения для современной российской школы // Информатика и образование. М.: 6/2002.-С.67-76.

2. Соболева H.H., Брагин В.Е., Гомулина H.H., Мамонтов Д.И., Касьянов O.A., Богатырев М.В. Образовательный портал компании ФИЗИКОН "Открытый Колледж" // Материалы IX Конференции представителей региональных научно-образовательных сетей PEJIAPH. Нижний Новгород: 2002. - С. 120-122.

3. Мамонтов Д.И., Богатырев М.В., Касьянов O.A. Виртуальные лаборатории в образовательных Интернет-проектах компании ФИЗИКОН // Материалы IX Конференции представителей региональных научно-образовательных сетей PEJIAPH. Нижний Новгород: 2002. - С. 107-108.

4. Касьянов O.A. Использование интерактивных компонент в образовательных курсах для дистанционного и домашнего обучения // Материалы Четвертой Всероссийской научной internet-конференции КММ. Тамбов: 2002. - С. 41-42.

5. Касьянов О.А, Мамонтов Д.И., Богатырев М.В. Образовательный портал "Открытый Колледж"// Труды Всероссийской научно-методической конференции Телематика. Санкт-Петербург: 2002. - С. 82.

6. Касьянов О. А. Комплексный подход к созданию единой образовательной среды на базе СДО "Открытый Колледж" // Мате-

риалы XLVI Научной конференции МФТИ. Долгопрудный: МФТИ, 2003. - С. 24.

7. Соболева H.H., Брагин В.Е., Мамонтов Д.И., Касьянов O.A., Гомулина H.H., Кавтрев А.Ф. Структура и основные особенности электронных учебных изданий компании "Физикон" // Труды X Всероссийской научно-методической конференции Телематика. Санкт-Петербург: 2003. - С. 326-327.

8. Касьянов O.A. Технология создания платформы интерактивных курсов CourseML. Применение в системе дистанционного обучения "Открытый Колледж" // Труды X Всероссийской научно-методической конференции Телематика. Санкт-Петербург: 2003. - С. 159.

9. Касьянов O.A., Алешин С.А. Структура и функциональные особенности приложения для создания и публикации Интернет-версий мультимедиа презентаций // Тезисы докладов X Конференции представителей региональных научно-образовательных сетей PEJIAPH. Санкт-Петербург: 2003. - С. 72-74.

10. Мамонтов Д.И., Касьянов O.A., Соболева H.H., Брагин В.Е. Анализ технологических аспектов создания современных электронных учебников // Материалы научно-практической конференции «Основные направления развития электронных образовательных ресурсов». М.: 2002. - С. 68-73.

11. Соболева H.H., Зеленцов В.В., Гомулина H.H., Мамонтов Д.И., Касьянов O.A. и др. Открытая Химия 2.0 // CD-ROM. Долгопрудный: Физикон, 2002.

12. Соболева H.H., Зеленцов В.В., Гомулина H.H., Мамонтов Д.И., Касьянов O.A. и др. Открытая Химия 2.5 // CD-ROM. Долгопрудный: Физикон, 2002.

13. Соболева H.H., Козел С.М., Гомулина H.H., Касьянов O.A. и др. Открытая Физика 2.0 // CD-ROM - Ч. 1. Долгопрудный: Физикон, 2002.

14. Соболева H.H., Козел С.М., Гомулина H.H., Касьянов O.A. и др. Открытая Физика 2.5 // CD-ROM - Ч. 1. Долгопрудный: Физикон, 2002.

15. Соболева H.H., Козел С.М., Гомулина H.H., Касьянов O.A. и др. Открытая Физика 2.5 // CD-ROM - Ч. 2. Долгопрудный: Физикон, 2002.

16. Соболева H.H., Гомулина H.H., Сурдин В.Г., Касьянов O.A. и др. Открытая Астрономия 2.0 // CD-ROM - Долгопрудный: Физикон, 2002.

17. Соболева H.H., Гомулина H.H., Сурдин В.Г., Касьянов O.A. и др. Открытая Астрономия 2.5 // CD-ROM - Долгопрудный: Физикон, 2002.

18. Соболева H.H., Мамонтов Д.И., Касьянов O.A. и др. Открытая Биология 2.5 // CD-ROM - Долгопрудный: Физикон, 2002.

19. Соболева H.H., Мамонтов Д.И., Касьянов O.A. и др. Открытая Математика 2.5. Стереометрия // CD-ROM - Долгопрудный: Физикон, 2002.

20. Соболева H.H., Мамонтов Д.И., Касьянов O.A. и др. Открытая Математика 2.5. Планиметрия // CD-ROM - Долгопрудный: Физикон, 2002.

21. Соболева H.H., Мамонтов Д.И., Касьянов O.A. и др. Открытая Математика 2.5. Функции и Графики // CD-ROM - Долгопрудный: Физикон, 2002.

Касьянов Олег Анатольевич

Математические модели и технологии создания сетевых интерактивных ресурсов для систем дистанционного

обучения

Автореферат

Подписано в печать 24.10.2003. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1.0. Тираж 80 экз. Заказ № 331 Московский физико-технический институт (государственный университет) Печать на аппарате Rex-Rotary Copy Printer 1280. НИЧ МФТИ.

141700, г. Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., д. 9,

съ? - Д

»1933 4

Введение.

Основные технические понятия.

Часть 1. Обзор существующих СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ (ДО) и их сравнение.

1.1. История развития систем ДО.

1.2. Классификация существующих систем ДО на Российском рынке.

Часть 2. Технология создания интерактивных ресурсов для до.

2.1. Платформа СоигееМЬ.

2.2.1. Общие требования.

2.2.2. Этапы создания оболочки СоигееМЬ.

2.2.3. Технические требования.

2.2.4. Структура СоигееМЬ.

2.2.5. Технология написания СоигееМЬ.

2.2. Визуализация формул.

2.2.1. Язык Ме1аТеХ.

2.2.2. Язык Ма1ЬМЬ.

2.3. Сетевой тестирующий комплекс.

2.3.1. Структура тестирующего комплекса.

2.3.2. Интерфейс тестирующего комплекса.

2.3.3. Технические требования.

2.3.4. Архитектура тестирующих систем компонент ДО.

2.3.4.1. Параметры вопросов и задач.

2.3.4.2. Типы задач и вопросов.

2.3.4.3. Базы данных задач и вопросов.

2.3.4.4. Основная функциональность.

2.3.4.5. Технология добавления создания контрольных работ.

2.3.5. Технологии, используемые при создании тестирующих систем компонент ДО.

2.4. Технология создания интерактивных моделей.

2.4.1. Библиотека OBJava 3.0.

2.4.1.1. Цели и задачи.

2.4.1.2. Структура библиотеки OBJava 3.0.

2.4.1.3. Технология создания моделей при помощи библиотеки OBJava 3.0.

2.4.2. Библиотека Flacon MX.

2.4.2.1. Цели и задачи.

2.4.2.2. Структура библиотеки Flacon MX.

2.4.2.3. Структура моделей, написанных на технологии Flacon MX.

2.4.3. Основные принципы разработки моделей для FlaconMX.

2.5. Виртуальные лаборатории.

2.5.1. Общие требования.

2.5.2. Технические требования.

2.5.3. Структура виртуальных лабораторий.

2.5.4. Технология создания виртуальных лабораторий.

ЧАСТЬ 3. Использование интерактивных ресурсов в Интернет - портале "Открытый Колледж" (ОК).

3.1 Интернет-портал "Открытый Колледж".

3.2 Сервер www.college.ru.

Структура сервера www.college.ru.

Сетевой тестирующий комплекс (модификация для Открытого Колледжа).

Виртуальные лаборатории.

Интерактивные модели.

Интернет-версии электронных учебников.

3.3 CepBepwww.mathematics.ru.

3.4 Сервер www.physics.ru.

3.5 Сервер www.chemistry.ru.

3.6 Сервер www.biology.ru.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные технические понятия

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

• ActiveX - технология, разработанная компанией Microsoft. Даная технология предназначена для создания сетевых компонент; выполняется на машине пользователя в адресном пространстве Internet Explorer.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Выход

Редактор формул

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

Внешний интерфейс редактора MetaTex:

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

Г Г г: IDU Г Г- ■

I ¡а ЯП Ща Joo

UDD Jon Jüo Jbo jjno Г0 mu i in #□ #□ 4>o l l Фо #■□

В* ös

Рисунок 3. Редактор формул

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

МеиТеХ; у = Мей{\{) \со1шпп() (-1. х<0> (0. х=0) (1. х>0) У

-1,Х<0

0.х-О

1.x >0

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

2.2.2. Язык MathML

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

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

Структурно MathML состоит из вложенных тегов, среди которых можно выделить контейнеры (<mrow>), теги математических конструкций (<mfrac>, <msup> и т.п.) и теги стилей (<mn>, <mi> и т.п.). Полный список MathML тегов приведен в приложении 1. Для примера рассмотрим простейший MathML код и его визуализацию (рис. 4): formula> <math> semantics> <mrow> cmover accent='true'> <mi>&upsilon;</mi> <mo stretchy='true'>&xrarr;</mo> </mover> mo>=</mo><mfrac> <mrow> mi>sDelta; </mixmover accent= 'true' > <mi>s</mi> mo stretchy='true'>&xrarr;</mo> </mover> mrow> <mrow> mi>SDelta;</mi><mi>t</mi> </mrow> </mfrac> mo>=</mo><mfrac> <mrow> mi>&Delta;</mi><mover accent='true'> <mi>r</mi> mo stretchy='true'>&xrarr;</mo> </mover> mrow> <mrow> mi>&Delta;</mi><mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mn>. </mn> mrow> semantics> </math> formula></p>

Рисунок 4. Визуализация MathML-формулы

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

As и =

Ai

Ar At

Сетевой тестирующий комплекс

2.2.3. Структура тестирующего комплекса

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

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

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

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

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

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

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

2.2.4. Интерфейс тестирующего комплекса

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

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

Класс Название X

8 Восьмой класс Г

9 Девятый класс п

10 Десятый класс г

11 Одиннадцатый класс п

7 Седьмой класс п

Рисунок 5. Пример страницы с интерфейсом сетевого тестирующего комплекса.

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

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

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

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

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

2.2.5. Технические требования

Системный блок: Процессор

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

• Должен использоваться базовый набор микросхем производства Intel

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

• Объем ОЗУ не менее 64 Мб. Подсистема дисковой памяти

• Наличие свободного дискового пространства не менее 100 Мб. Монитор

• Поддержка режима 1024x768.

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

• условие задачи или вопроса;

• решение задачи или правильный ответ на вопрос;

• тематическая группа;

• класс;4

• тип задания5

• сложность6

• трудность7;

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

• время, отведенное на решение задания;9

2.2.6.2. Типы задач и вопросов

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

• Текстовый и численный ввод о ввод символьного ответа;10 о ввод точного численного ответа; о ввод численного ответа с указанной точностью; о ввод численного ответа из указанного диапазона.

• Формульный ввод11 о ввод формульного ответа для посимвольной проверки; о ввод формульного ответа с проверкой возможных перестановок; о ввод формульного ответа с проверкой равенства функций; о ввод промежутка значений;

19

• Задания со свободным ответом

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

5 Типы задач и вопросов будут перечислены в следующем параграфе.

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

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

8 Параметр задается методистом

9 Данный параметр реализован только в некоторых видах задач.

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

2.2.6.3. Базы данных задач и вопросов

Таблицы базы данных:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

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

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

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

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

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

ГГ'ТГ'' ! L

I . 4

I ., .

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

1. Около 20 виртуальных лаборатории по физике.

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

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

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

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

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

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

-f--

I ., .

1. В. И. Солдаткин. «Основы открытого образования. Том первый». Москва, 2002.

2. Описание основных терминов WEB-дизайна. http://kwn.narod.rU/rnvsite/forweb/webdesign.htm#wstiipl.

3. Extensible Markup Language (XML). http://www.w3.org/XML.

4. Система Net School. Разработка компании "РООС". http://netschool.roos.ru/

5. Система Юниар.Доцент. Разработка компании "UNIAR". http://docent.msk.net.fio.ru.

6. Система 1С. Образование. Разработка компании 1С. http://repetitor. 1 c.ru.

7. Система Хронобус. Хронограф. Разработка компании Хронобус. http://www.chronobus.ru.

8. Соболева H.H., Гомулина H.H., Брагин В.Е., Мамонтов Д.И., Касьянов O.A. Электронный учебник нового поколения для современной российской школы // Информатика и образование. М.: 6/2002. С. 67 -76.

9. Соболева H.H., Гомулина H.H., Сурдин В.Г., Касьянов O.A. и др. Открытая Астрономия 2.0 // CD-ROM Долгопрудный: Физикон, 2002.

10. Соболева II.II., Зеленцов В.В., Гомулина H.H., Мамонтов Д.И., Касьянов O.A. и др. Открытая Химия 2.0 // CD-ROM. Долгопрудный: Физикон, 2002.

11. Соболева H.H., Гомулина H.H., Сурдин В.Г., Касьянов O.A. и др. Открытая Астрономия 2.5 // CD-ROM Долгопрудный: Физикон, 2002.

12. Соболева H.H., Зеленцов В.В., Гомулина H.H., Мамонтов Д.И., Касьянов O.A. и др. Открытая Химия 2.5 // CD-ROM. Долгопрудный: Физикон, 2002.