автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Методы и средства построения сетевой интегрированной системы для авторской и преподавательской деятельности



МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ИСМОИЛОВ Мухамаджон Идибоевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕВОЙ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ АВТОРСКОЙ И ПРЕПОДАВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

05. 13. 13 - "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-кандидат технических наук, доцент Будихин А.В.

МОСКВА -1999

Список использованных сокращений:

ИСАПД - интегрированная система для авторской и преподавательской

деятельности АОС - автоматизированная обучающая система ИАОС - интеллектуальная автоматизированная обучающая система ABC - авторская система ИС - информационная система ГТС - гипертекстовая система ГТ - гипертекст, гипертекстовая ЛВС - локальная вычислительная сеть ПО - предметная область КМД - концептуальная модель данных БД- база данных

СУБД - система управления базами данных

АБД - администратор базы данных

УМ - учебный материал

БДУМ - база данных учебного материала

УК - учебный курс

УФ - учебный фрагмент

МУ - модель ученика

БДУ - база данных учеников

ЭУ - электронный учебник

Содержание

стр.

Введение.......................................................................................................4

Глава 1. Концепция построения сетевой интегрированной системы

для авторской и преподавательской деятельности.....................11

1.1. Роль и место сетевой интегрированной системы обучения

в современном процессе образования...........................................11

1.2. Анализ состояния и перспективы развития АОС..........................13

1.3. Анализ состояния и архитектура авторских систем..........................21

1.4. Архитектура сетевой интегрированной системы для авторской и преподавательской деятельности....................................................27

Выводы по главе 1........................................................................................31

Глава 2. Разработка методов построения базы данных учебного

материала...........................................................................32

2.1. Формализованное описание концептуальной модели данных

и разработка методики ее проектирования.......................................32

2.2. Разработка концептуальной схемы базы данных учебного материала............................................................................44

2.3. Разработка реляционной схемы базы данных учебного материала.....57

Выводы по главе 2.....................................................................................63

Глава 3. Реализация гипертекстовой оболочки для создания учебных

курсов в среде Турбо Пролог..........................................................64

3.1. Разработка архитектуры гипертекстовой оболочки...........................64

3.2. Обоснование выбора инструментального средства для реализации гипертекстовой оболочки.............................................68

3.3. Реализация элементов гипертекстовой оболочки в среде Турбо Пролога.......................................................................69

3.4. Разработка схемы диалога гипертекстовой оболочки.....................73

3.5. Разработка гипертекстового редактора оболочки.............................75

3.6. Структура программных модулей гипертекстовой оболочки............87

Выводы по главе 3........................................................................................89

стр.

Глава 4. Разработка методов анализа учебной информации и основных компонентов адаптивно - тестирующей оболочки.....................90

4.1. Подход к организации адаптивного обучения и тестирования...........90

4.2. Методы анализа учебных фрагментов .........................................97

4.3. Разработка основных компонентов адаптивно - тестирующей оболочки.............................................................................107

4.3.1. Построение базы данных учебного курса....................................107

4.3.2. Разработка модели обучаемого................................................111

4.3.3. Разработка интегрированной БДУК..........................................115

4.3.4. Разработка графа диалога адаптивно - тестирующей оболочки.......127

Выводы по главе 4.......................................................................................131

Глава 5. Разработка комплекса программ и выбор архитектуры сети

для реализации ИСАПД.........................................................132

5.1. Разработка комплекса программ ИС "Учебный предмет" на базе

Б ДУМ...............................................................................132

5.2. Особенности реализации гипертекстовой оболочки для построения учебных курсов.....................................................................139

5.3. Особенности программной реализации адаптивной тестирующей оболочки............................................................................142

5.4. Разработка программ анализа учебных фрагментов.......................144

5.5. Выбор архитектуры сети для реализации ИСАПД..........................148

5.5.1 .Подход к организации ЛВС ИСАПД...........................................148

5.5.2. Построение структуры сети....................................................149

5.5.3. Функционирование ИСАПД в среде ЛВС..................................156

5.6. Результаты применения комплекса программ.............................161

Выводы по главе 5.....................................................................................164

Заключение...................................................................................................165

Литература.................................................................................................167

Приложение...............................................................................................178

Введение

Актуальность темы. Существенное увеличение объемов и сложности учебных материалов, изучаемых в средней и высшей школах, недостаток преподавательских кадров, трудности при оперативной подготовке, изготовлении и распространении различного рода учебных пособий привели к широкому применению автоматизированных систем в различных сферах педагогической деятельности.

Вместе с тем, дальнейшая интенсификация авторского и преподавательского процесса предполагает интеграцию функций авторской и преподавательской деятельности в целях повышения эффективности, дальнейшего улучшения качества и индивидуализации процесса

образования.

Сложность реализации всего спектра функций авторской и преподавательской деятельности делает актуальной задачу разработки соответствующих автоматизированных систем, реализующих выше перечисленные функции с ориентацией на сетевую обработку учебной информации в типовом подразделении (кафедре) вуза.

Объектом исследования является: учебный процесс в типовом подразделении (кафедре) вуза.

Целью диссертационной работы является разработка научных методов, алгоритмов и средств, обеспечивающих построение сетевой интегрированной системы для авторской и преподавательской деятельности.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие основные задачи:

1. Разработана архитектура сетевой интегрированной системы для авторской и преподавательской деятельности (ИСАПД) и сформулированы требования к разработке ее компонентов;

2. Разработаны формализованное описание и семантическая модель базы данных учебного материала (БДУМ), а также принципы построения информационной системы "Учебный предмет";

3. Предложены методы построения гипертекстовой оболочки для реализации учебных курсов;

4. Разработана архитектура и принципы построения адаптивной тестирующей системы;

5. Предложены алгоритмы анализа учебных фрагментов;

6. Разработан макет сетевого комплекса программ, реализующего основные функции ИСАПД, с использованием которого проведено экспериментальное исследование предложенных в диссертации методов и алгоритмов.

В первой главе рассматривается концепция построения сетевой интегрированной системы для авторской и преподавательской деятельности.

ИСАПД можно определить как систему, реализующую полный набор функций для создания и использования учебной информации в некоторой предметной области обучения (ПО).

Основными функциями ИСАПД следует считать:

1) создание базы данных учебного материала (БДУМ) и процедур обработки учебной информации по ПО;

2) анализ, верификация и корректировка БДУМ;

3) создание на основе фактов и правил БДУМ множества учебных документов (программ, конспектов лекций и практических занятий, описание лабораторных работ и т.д.);

4) генерация на основе БДУМ электронных учебников с элементами гипертекста;

5) генерация на основе БДУМ тестирующих (инструктирующих) курсов, предполагающих выполнение функций пояснения и оценки знаний обучаемых;

6) мониторинг, управление и систематизация информации о процессе обучения.

Функции 1-6 в различных сочетаниях характерны для существующих систем двух классов: автоматизированных обучающих систем (АОС) и авторских систем (ABC).

Проведенный анализ существующих АОС, среди которых рассматривались WIMPUS, Logo, STEAMER, TRNIMAGE, LEKTOR, CTS, MEMOLAB, SAMPLE, NEWTON T, SCHOLAR, а также ABC, где анализировались COURSEWRITER, TUTOR , АДОНИС, УРОК, TenCORE, HELENA, Intermedia, NoteCards, HyperTies, Linkway, Guide, HyperCostoc позволил определить архитектуру ИСАПД, и сформулировать основной круг решаемых задач.

Основными компонентами ИСАПД являются:

- информационная система (ИС) "Учебный материал", построенная на основе базы данных учебного материала (БДУМ);

- подсистема обучения, реализованная в виде гипертекстовой оболочки;

- подсистема тестирования, обеспечивающая контроль знаний студентов.

Во второй главе диссертации на основе выполненной формализации концептуальной модели данных разработана база данных учебного материала, на основе которой построен макет информационной системы по структуризации, анализу и использовании фрагментов учебной информации в различных областях авторской и преподавательской деятельности.

В качестве средства формализованного описания данных на концептуальном уровне выбрана модель данных "объект - связь".

Методика построения разработанной концептуальной модели данных (КМД) основывается на итерационной процедуре, сущность которой заключается в том, что исходное множество объектов и связей задает администратор базы данных учебного материала, а далее это множество корректируется в соответствии с информационными потребностями пользователей приложений.

Большинство шагов предлагаемой методики требуют средства, позволяющего определять различные компоненты модели и их свойства. В качестве такого средства используется язык графических диаграмм, основные конструкции которого приведены в диссертации.

Разработанное формализованное описание КМД и методика ее проектирования являются основой для взаимодействия конечных пользователей, администраторов приложений и группы АБД при концептуальном проектировании базы данных учебного материала.

На основе разработанной концептуальной схемы в диссертации осуществлено построение реляционной схемы в среде СУБД FoxPro и MS Access, являющейся основой для разработки прикладных процедур и запросов ИС "Учебный предмет".

В третьей главе рассматриваются вопросы реализации гипертекстовой оболочки для создания учебных курсов в среде Турбо Пролог. Разрабатана архитектура гипертекстовой оболочки на основе формализации основных элементов гипертекста в виде сети. Обоснована применение языка Турбо Пролог для реализации гипертекстовой оболочки. На основе анализа основных операций над элементами гипертекста разработана схема диалога гипертекстовой оболочки и основные предикаты гипертекстового редактора. Разработана также структура программных модулей гипертекстовой оболочки.

В четвертой главе решается задача разработки адаптивной тестирующей оболочки. Рассматриваются методы анализа учебных фрагментов (учебной информации).

Адаптивность обучения определяется тем, что при выдаче заданий должны учитываться знания которыми располагает обучаемый, качество их усвоения и степень знания. Следовательно, при выдаче задачи в системе учитываются два критерия:

- раздел или область знаний к которой относится задача;

- сложность задачи.

Для определения необходимой сложности задачи вводится интегрированный показатель знаний ученика. Таким показателем является рейтинг, который учитывает общий уровень знаний ученика по курсу и позволяет при тестировании выдавать задачи, уровень сложности которых соответствует уровню знаний ученика.

Рейтинг формируется в процессе решения задач: увеличивается в случае успешного решения и уменьшается в случае неуспешного.При формировании рейтинга учитывается также сложность задачи.

В работе приводится общий алгоритм контроля знаний и рассматриваются различные стратегии выдачи контрольных заданий, основанные на интегральной модели ученика, которая реализована в виде семантической модели учебного курса, где фиксируются все действия тестируемых по конкретным разделам, фрагментам, задачам и их параметрам.

Рассматриваются вопросы организации диалога в системе и особенности реализации макета системы с использованием системы Turbo Prolog, а также алгоритмы анализа учебных фрагментов.

В пятой главе рассматриваются вопросы реализации первой очереди основных компонентов ИСАПД, т.е. вопросы реализации макета ИС на базе БДУМ (ИС "Учебный предмет"), ГТ оболочки для создания учебных курсов и адаптивной тестирующей системы, ориентированной на индивидуальный контроль знаний обучаемых по различным учебным курсам, а также вопросы выбора архитектуры сети для реализации ИСАПД.

Разработанные программные продукты использованы при создании баз данных учебных материалов по предметам "Проектирование ИС", "Базы и банки данных и знаний", при создании учебных курсов "Средства взаимодействия с ЭВМ", "Подготовка и телеобработка данных", а также при разработке тестирующих программ по дисциплинам "Проектирование ИС", "Базы и банки данных и знаний".

Методы исследования. Результаты диссертационной работы получены на основе комплексного использования теории множеств, теории отношений, методов кластерного анализа, теории баз данных, методов систем искусственного интеллекта, теории вычислительных сетей.

Научная новизна. Основным научным результатом является разработка методов и средств построения сетевой интегрированной системы для авторской и преподавательской деятельности.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

- разработана архитектура сетевой интегрированной системы для авторской и преподавательской деятельности (ИСАПД) и сформулированы требования к разработке ее компонентов;

- разработаны формализованное описание и семантическая модель базы данных учебного материала (БДУМ), а также принцины построения информационной системы (ИС) "Учебный предмет";

- предложены методы построения гипертекстовой оболочки для реализации учебных курсов;

- разработана архитектура и принципы построения адаптивной тестирующей системы;

- предложены алгоритмы анализа учебных фрагментов;

- разработан макет сетевого комплекса программ, реализующего основные функции ИСАПД, с использованием которого проведено экспериментальное исследование предложенных в диссертации методов и алгоритмов.

Практическая значимость полученных результатов. Результаты проведенных научных исследований и разработок были использованы при создании комплекса прикладных программ, позволяющего построить интегрированные среды для авторской и преподавательской деятельности в различных предметных областях. Комплекс программ построен по модульному принципу, функционирует под управлением операционных систем MS-DOS, Windows, Windows NT и предназначен для использования

на персональных компьютерах, соединенных в локальную сеть по технологии "клиент - сервер".

Внедрение результатов. Применение на практике программного комплекса и методики его использования позволило сократить время на разработку учебных курсов в среднем на 8-12 % и повысить уровень автоматизации и индивидуализации процесса обучения при подготовке специалистов: на кафедре "Автоматизированные системы управления" Московского государственного автомобильно-дорожного института (технического университета), на кафедре "Автоматизированные системы обработки информации и управления" Таджикского технического университета, в Республиканском учебном центре Федеральной службы занятости РФ. Практическое использование результатов подтверждено соответствующими актами о внедрении, приводимыми в приложении к диссертации.

Апробация результатов. Основные научные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры "Автоматизированные системы управления" МАДИ (ТУ) в 1992-1997 годах, на ХУП Межрегиональном семинаре "Эргономика и эффективность систем человек-техника" (Игналина 1991), на научно-технической конференции "Микросистема-93" (Москва 1993), на 50-54 научно-методических конференциях МАДИ (ТУ) (Москва 1992-1997 годы).

Публикации. Отдельные положения диссертации отражены в пяти печатных работах и включены в два отчета по НИР.

Объем работы и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав основного текста, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 33 стр. рисунков и таблиц.

ГЛАВА 1. КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕВОЙ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ АВТОРСКОЙ И ПРЕПОДАВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

1.1. Роль и место сетевой интегрирован