автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Настраиваемая среда активного обучения программированию на базе языка Паскаль

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СИСТЕМ ИНФОРМАТИКИ

\,.\> На правах рукописи

сИ (

РЕЗЦОВА ЛАРИСА АНАТОЛЬЕВНА

НАСТРАИВАЕМАЯ СРЕДА АКТИВНОГО ОБУЧЕНИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЮ НА БАЗЕ ЯЗЫКА ПАСКАЛЬ

Специал'ность 05.13.11 - математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск • 1994

Работа выполнена в Новосибирском государственном универстете.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор В. Н. Касьянов

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор И. М. Бобко

кандидат физико-математических наук, доцент И. Н. Скопин

Ведущее предприятие -

Вычислительный центр СО РАН

//„ оЪ

/У^

Защита состоится

1994 года в часов на заседании

специализированного Совета К 003.93.01 в Институте Систем Информатики Сибирского отделения РАН по адресу: 630090, г. Ноюсибирск-90, пр. ак. Лаврентьева, 6.

Сдиссертацией можно ознакомиться в читальном зале ВЦ СО РАН (пр. ак. Лаврентьева, 6).

Автореферат разослан " ^ " &0-У 1994 г Председатель

Специализированного Совета К (¡03.93.01,

д.ф.-м.н., проф.

И. В. Поттосин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Последние годы нашего столетия ознаменовались всеобщим проникновением компьютеров во все сферы человеческой деятельности, что во многом обусловлено их массовым производством. Появление компьютеров на рабочих местах, изменило не только содержание работы, но и знания, умения и навыки, требуемые в работе. Потребности общества привели к существенным изменениям в сфере образования.

Обучающий потенциал компьютера был признан еще пионерами информатики. С момента появления первого компьютера стали обсуждаться вопросы эффективного применения компьютеров в сфсре образования, что в основном зависит от педагогического программного средства, используемого в обучении. Педагогическое программное средство можно рассматривать как качественно новое средство управления учебной деятельностью учащихся, обладающее универсальными возможностями автоматизации и интенсификации учебного процесса. На данный момент можно считать устоявшимся мнение, что использование компьютеров в сфере образования преследует четыре главные цели:

- подготовка ; лизни в современном обществе;

- поощрение шерчества и развитие навыков самостоятельной работы;

- обучение методам работы, требующим ясной логики и настойчивости;

- развитие гибкости ума;

- адаптация к социальным и экономическим потребностям общества.

Можно сказать, что компьютеры в сфере образования используются для развития интеллектуальных возможностей человека, что отмечалось в концепции использования средств вычислительной техники в сфере образовании, разработанной А.П. Ершовым. Эта точка зрения, разделяемая все большим числом специалистов приводит к новым научным исследованиям на стыке информатики, педагогики и психологии и к созданию оригинального программного обеспечения для сферы образования.

Целью диссертационной работы является комплексная разработка принципов построения и реализация настраиваемой интерактивной среды активного обучения программированию на базе языка Паскаль. Достижение указанной цели связывается с решением следующих задач:

- классификация программного обеспечения, используемого в сфере образования;

- анализ и обоснование основных требований к программному обеспечению;

- анализ современного состояния и тенденций развития программного обеспечения для обучения программированию;

- построение формальной модели процесса обучения и выбор на ее основе архитектуры собственной системы;

- программная реализация системы в соответствии с выбранной архитектурой;

- внедрение и анализ результатов.

Задачи, поставленные в работе решались с использованием методов системного анализа и моделирования, учитывались сведения из области педагогики, психологии. На этапе разработки проектов использовался метод нисходящего проектирования, позволяющего на каждом шаге проводить оценку проектных решении и их пересмотр в случае необходимости. При разработке и реализации использованы концепции структурного и модульного программирования, системное обеспечение IBM PC/ХТ/АТ, среда Turbo Pascal.

Научная новизна работы состоит в исследовании и создании нового типа программного обеспечения для сферы образования. Новизну раскрывают следующие результаты:

1. Предложена классификация программного обеспечения для сферы образования на основе дидактических принципов. Исходя из которой определены цели и назначение настраиваемой среды активного обучения программированию.

2. Построена система требовании, предъявляемых к программному обеспечению в сфере образования и на ее основе определены функциональные, технологические, пс колого-педагогические характеристики настраиваемой среды активного обучения программированию.

3. Построена теоретическая модель процесса обучения, реализованная в настраиваемой среде активного обучения программированию.

4. Программно реализована настраиваемая среда активного обучения программированию на базе языка Паскаль и ее рабочая версия использовалась на учебных замятиях.

Практическая ценность. Результаты работы имеют практическую значимость и могут быть использованы для общения программированию на базе языка Паскаль как в аудиториях под руководством преподавателя, так и при самостоятельной работе. Рабочая версия системы использовалась на учебных занятиях студентов первого курса Красноярского института цветных металлов в первом семестре 1992/93 учебного года, в Новосибирском государственном университете для самостоятельного обучения программированию на базе языка Паскаль на дополнительных занятиях студентов первого курса механико-математического факультета во втором семестре 1992/93 учебного года. Система использовалась в Летней школе информатики 1993 года в мастерской по обучению языку программирования Паскаль, а также в школе информатики при Павлодарском городском обществе инвалидов в 1993 году.

Апробация работы. Содержание и основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых и специалистов (Москва, 1988), Всесоюзном научно-!шактическом совещании "Электронно-вычислительная техника в общеобразовательной школе" (Новосибирск, 1988), конференции молодых ученых ВНИИСИ (Москва, 1989), советско-американском семинаре "Применение компьютеров в обучении" (Москва, 1990), международной конференции "Применение новых компьютерных технологий в образовании" (Троицк, 1991), объединенных научных семинарах ВЦ СО РАН и НГУ "Оптимизация и преобразование программ' (Новосибирск, 1989 -1993), семинарах кафедры информатики ППИ (Павлодар, 1989 -1992).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в семи работах, перечень которых приводится в конце автореферата.

Достоверность. Достоверность результата подтверждается

работоспособностью реализованной системы и ее использованием на учебных занятиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 122 наименований и 5 приложений. Работа содержит 140 страниц основного текста, 6 таблиц и 20 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность создания настраиваемой среды активного обучения программированию, формулируются основные задачи диссертации, научная новизна и практическая значимость.

Первая глава посвящена обзору современного состояния и тенденций развития программного обеспечения, используемого в обучении. В первую очередь были уточнены некоторые понятия, используемые в работе для их однозначный интерпретации. Так, программное обеспечение, применяемое в образовании имеет наиболее широкий разброс в терминах и поэтому в работе используется термин "педагогическое программное средство" (ППС) и понимается под этим готовый программный продукт - средство обучения, которое обеспечивает активную индивидуальную деятельность пользователей с помощью компьютера.

Дл>, разработки ППС необходимо было })ешить две основные задачи:

- определение типа ППС;

- определение требований к ППС,

что позволило уточнить какие принципы будут лежать в основе ППС, исходя из них конкретизировать цель и назначение ППС и далее построить систему требований к ППС. Поставленные задачи были решены в первой главе, где определены принципы, рассмотрена классификация ППС, построены требования, предъявляемые к ППС.

Третья глава посвящена проблемам проектирования и реализации ACO П. Описывается архитектура АСОП, то есть ее построение как совокупнос+и компонентов с их взаимосвязями и основными функциями, основанное на принципах модульности, открытости, независимости данных И алгоритмов; Подробно рассмотрены вопросы реализации ¡t функционального назначений каждого модуля настраиваемой среды активного обучения программированию;

Приводятся данные по объему системы: тексты модулей - 3218 ctpok на языке Turbo Pascal 5.5, тексты пяти внешних программ * 2S79 строк на йзЬПсе Turbo Pascal 5.5, объектный код - 508 Кбайт, библиотек: шдач - 33 Кбайт, файл Помощи -97 Кбайт, Для полной постановки АСОП требуется 656 Кбайт, АЛй »остановки АСОП без преподавательского пути требуется 445 Кбайт,

Основным принципом построения АСОП яаляето! модульная концепций, АСОП организовано в виде'совокупности модулей, кишмй Hi которых имеет свое функциональное назначение, Предлагаемое архитектурное решение показано на рисунке 2,

Управляющая программа осуществляет амзоп, передачу управления и параметров всем функциональным модулям, координирует взаимодействие модулей в процессе работы, Каждый модуль исполмует общую область данных ч полной мере.

Модуль ENTRY предназначен для регистрации нолмопателей при входе в АСОГ1. Поскольку поддерживается два урошш шаимодейстрин с пользователем: преподавательский н студенческий, то в модуле происходит проверки пароля и подключение пользователя к одному из уровней взаимодействия. Фактически модуль выполняет функцию администратора системы, который проверяет санкциопировапскть доступа к системе по входному паролю пользователя, определяет категорию пользователя и дает допуск к работе.

Модуль PSYCHOL предназначен для определения психолого-личиостных характеристик пользователя с помощью диагностических тестов. По результатам тестирования происходит настройка АСОГ1 на определенную стратегию обучения для пользователей, имеющих одинаковые показатели. При каждом входе в АСОП по желанию пользователя можно пройти тестирование и изменить свои характеристики. Предусмотрена возможность самостоятельного выбора уровня обучения без прохождения диагностические тестов. Вызывается из модуля ENTRY.

Модуль OENTASK является генератором индивидуальных -заданий для студентов. По каждой теме и характеристикам пользователя на экран выдается конкретная учебная задача, взятая из библиотеки задач и прошедшая определенную обработку.

Модуль EDIT предназначен для практического программирования на языке Паскаль и представляет собой интегрированную среду, состоящую из текстового редактора для набора Паскаль-программ и пользовательского-интерфейса в виде "падающего" меню. В модуль встроен русскоязычный компилятор Turbo Pascal, контекстная помощь по языку Паскаль, имеются возможности компиляции, создания, выполнения, загрузки, сохранения файла, просмотр полученного задания, тестирование программы, получение консультации по допущенным ошибкам, выход из среды возможен с сохранением или без сохранения файла. Через меню происходит вызов других модулей.

Модуль EXPERT реализован как экспертная система и предназначен для определения причин ошибок в Паскаль-программах и оказания помощи по их устранению. Результатом работы модуля EXPERT является совет-консультация по ликвидации ошибок в программе пользователя. Однако создав другую базу знаний, придерживаясь ех же правил создания, можно изменить назначение данного модуля. Вызывается из модуля EDIT.

Модуль VOROWSE поддерживает второй вид работы - работа по аналогии. При выборе студентом этого метода решения ему предлагаются демонстрационные программы-примеры с подробными комментариями, которые позволяют ознакомится с алгоритмом решения чадачн. При желании пользователя демонстрационные программы-примеры могу г быть загружены в его рабочий файл. Вызывается из модуля EDIT,

о

Модуль HELP предназначен для оказания помощи пользователю в виде сообщений об ошибках, контекстной помощи по зарезервированным словам языка Паскаль, помощи-справки по встроенным модулям, процедурам и функциям Turbo Pascal и направлен на достижение таких целей как: введение в работу с АСОП, объясняя ее возможности и основные принципы; снабжение инструкцией по решению поставленной задачи; обеспечение помощи в работе.

Модуль STATIC поддерживает окончание текущего сеанса обучения, сбор и хранение статистики о процессе обучения. На основе информации поступающей в ходе работы пользователя с АСОП, происходит коррекция текущего состояния модели студента и динамическая настройка системы на конкретного пользователя.

Вход в модуль TUTOR возможен лишь при выполнении двух условий: наличие файла 'A:\TUTOR.TXT* и совпадение пароля, записанного в данном файле с паролем, введенным с клавиатуры. Модуль TUTOR поддерживает работу преподавателя с текстами библиотеки задач, библиотеки примеров, библиотеки тестов задач и базой знаний. Предусмотрено их редактирование, просмотр, вставка, удаление, печать записей. Преподаватель может изменить свой входной пароль и может просматривать, выводить на печать, удалять записи из файла регистрации пользователей-студентов 'DATABASE.BDS'. Также имеются дополнительные возможности по обработке текстового файла помощи внешней программы MyHelpCompiier и по обработке текстовых файлов из библиотеки задач во внутреннее представление внешней программой ModifyTask. Реализация внешних программ рассматривается подробно в отдельном разделе. Также предусмотрена возможность изменения названий параграфов и подпараграфов учебных тем.

В четвертой главе обсуждается пользовательский интерфейс. Интерфейс охватывает те аспекты, с которыми непосредственно соприкасается пользователь и характеристики интерфейса оказывают существенное влияние на работу пользователя, поэтому данный вопрос рассматривается отдельно. Основной идеей при создании интерфейса АСОП стала идея о том, что программное обеспечение, поддерживающее интерфейс, можно рассматривать отдельно от процесса выполнения заданий в любой системе. Более того, сам интерфейс можно разделить на несколько уровней, функции которых представимы в виде обобщенных абстрактных структур.

Диалог между человеком и компьютером можно определить как обмен информацией между компьютером и пользователем, проводимый с помощью интерактивного терминала по определенным правилам. Основной принцип диалога человека с компьютером состоит в независимом выборе пользователем входного сообщения и полностью детерминированной реакции системы.

В главе рассматривается проблема классификации интерфейса, выделены четыре основные структуры типов диалога:

вопрос и ответ; меню; экранные форм .г; на базе команд, где каждая структура основана на аналогии с определенным типом взаимодействия между людьми и отвечает Oi ределенным критериям качества, а значит пригодна для использования различными пользователями.

Для оценки пригодности использования конкретной структуры диалога в определенной ситуации рассмо репы основные критериями качества диалога: естественность; последовательность; краткость; поддержка пользователя в процессе диалога; гибкость.

Учитывая данные критерии, рассмотрены подробно особенности, критерии разработки и реализацию структур диалога, используемых в АСОП!

Структура диалога типа "вопрос - ответ" аналогична интервью, где система получас?- информацию от пользователя в виде ответов на заданные вопросы. Данная структура диалога управляется компьютером. Структура диалога типа "вопрос - ответ" уместна при реализации диалога, когда на каждый вопрос может быть дан любой ответ, который будет влиять на то, какой вопрос будет задан следующим. Эта структура диалога реализована в модуле EXPERT.

Структура диалога типа "меню" является известным механизмом для выбора объектов путем указания во время диалога, управляемого компьютером. Структура диалога типа "меню" изображает точный список вариантов и дает возможность

ю

пользователю выбрать один из них либо вводом идентификатора на клавиатуре, либо прямым указанием на объект, либо просмотром списка на экране. Существуют различные форматы представления меню на экране, в АСОП используются:

- меню в виде блока данных в модулях TUTOR, GENTSK;

- меню в виде верхней строки данных в модуле EDIT, которое остается на протяжении всего диалога. Для отображения дополнительных возможностей используются "падающие" блоки-меню, которые исчезают после выбора варианта;

- меню объектов, выбираемых указанием идентификатора, которым является функциональная клавиша или определенная клавиша.

Структура диалога на основе экранных форм выводит на экран серию вопросов и от пользователя требуется ответить на каждый из них. Данная структура используется в модуле ENTRY и позволяет получить весь объем информации путем заполнения формы, которая является постоянной и ответ на предыдущий вопрос не влияет на то, какой вопрос будет задан следующим. Поля для ввода ответов пользователя находятся в пределах небольших прямоугольных областей. Пользователю предоставляется возможность редактирования введенного ответа. Структура диалога на основе команд не используется в АСОП.

Было замечено, что все структуры диалога являются некоторой разновидностью структуры диалога типа "вопрос - ответ". Так, структура диалога типа "меню" предлагает одновременно с вопросом справку о возможных вариантах ответа; структура диалога на основе экранных форм отображает все вопросы, а затем поочередно запрашивает ответы; структура диалога на основе команд является структурой типа "вопрос - ответ" с постоянным опережающим вводом ответа. Понимание этого факта дает ответ на вопрос о том, в каких случаях лучше все использовать каждую из структур диалога в зависимости от типа входных сообщений и/или пользователя.

Различные модули АСОП обладают различными характеристиками и на основе вышеизложенного были определены и подробно рассмотрены те типы диалога, которые соответствуют всем требованиям для каждого модуля.

При создании диалога, после определения его целей, категорий пользователей, типов диалога возникают проблемы форматирования экрана и определения времени ответа системы, которые также освещены в данной главе.

Диалог в АСОП построен с использованием "оконной технологии". Окно -прямоугольная область физического окна, с помощью которого пользователь рассматривает отдельные аспекты своего взаимодействия с задачей. Окна могут быть как статические, так и динамические. При программной реализации каждое окно описывалось через запись (record), где каждая запись содержит информацию о положении окна, размерах, видеоатрибутах, размерах курсора, положению рамки и заготовка, а также о буферах сохраняющих содержание окна и опционально самого окна. Работа с окнами основана на манипуляции стеком из окон.

В АСОП используются динамические окна для следующих видов работ:

- для определения психолого-личностных характеристик пользователя открывается окно 'ТЕСТЫ";

, - для вывода текста задачи открывается окно "ЗАДАНИЕ";

для просмотра студентом аналогичного решения открывается окно "АНАЛОГИЧНОЕ РЕШЕНИЕ";

- при обращении студента к помощи по нажатию функциональных клавиш <F1>, <Ctrl+Fl > открываются окна помощи;

- для работы с модулем EXPERT открывается окно"ЭКСПЕРТ";

- по окончание работы студента работы выводится окно с некоторыми результатами работы;

- для "всплывающих" меню в модулях EDIT, TUTOR.

По окончанию работы или выборе пункта меню динамическое окно исчезает.

В этой же главе подробно рассмотрены процедуры и функции необходимые для управления окнами, а также для создания мгчю.

Последний раздел посвящен структуре диалога, где под структурой диалога понимается форма ьредставления сообщений, которыми обмениваются

пользователь и компьютер' н порядок их следования. Диалог рассматривается как последовательность переходов из одного состояния в другое, поэтому в качестве модели диалога в работе использовались ориентированные графы, в которых вершины ссютретствуют такой точке диалога, в которой выводится сообщение пользователю идц требуется входное сообщение от него, а дуги соответствуют наЕфАйлению, возможных переходов, Метка на дуге определяет условие, при выполнении которого возможен переход.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Систематизированы основные вопросы, касающиеся классификации программного обеспечения для сферы образования и предложена классификация, основанная на, дидактических принципах и исходя из этого описаны цели и назначенце настраиваемо« среды активного обучения программированию.

2. Предложена ц обоснована система требований, предъявляемая к программному обеспечение для сферц образования. Данные требования использовались при разработки настраиваемой среды активного обучения программированию. Эти требования положены в основу функциональных, технологических, психолого-педагогических характеристик данной среды обучения.

3. Построены, концептуальные модели процесса обучения, студента, предметной области, которые положены в основу при реализации настраиваемой среды активного, обучения программированию.

4. Программно реализована настраиваемая среда активного обучения программированию на базе языка Паскаль.

5. Настраиваемая среда активр-од), обучения программированию использовалась в учебном процессе в качестве инструментальной поддержки курса 'Программирование на языке Паскадь" для студентов первого курса Красноярского института цветных металлов, в Новосибирском государственном университете для самостоятельной работы студентов первого курса механико-математическодго-. факультета на дополнительных занятиях по изучению основ программирования, в мастерской "Основы языка Паскаль" Летней школы информатики 1993 года, на занятиях школы информатики при Павлодарском городском обществе инвалидов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Резцова ЛА. Педагогические программные средства: обзор и проект системы,-Новосибирск, 1989,- 20 е.- (Препринт/АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ; 834).

2. Резцова ЛА. Настраиваемая среда активного обучения программированию на базе языка Паскаль 1/ Актуальные вопросы педагогической технологии качества учебного процесса: Тр. регион, межвуз. научно-метод. конф. - Алма-ата,1990.-с.248-252.

3. Резцова ЛА. Языки программирования: анализ требований и сравнение./ЭВМ в учебном процессе ВУЗа: Межвуз. сб. науч. тр. Новосибирск.: Изд-во НГУ, 1991.- с. 63-72.

4. Резцова ЛА. Настраиваемая среда активного обучения программированию на базе языка Паскаль // Применение новых компьютерных технологий в образовании (Троицк, авг. 1991 г.): Тез. докл. Международ, конф. - М.: Наука, 1991. -с.51-53.

5. Резцова ЛА., Та расе и ко А.И. Теоретические основы разработки педагогических программных средств/ЭВМ в учебном процессе ВУЗа: Межвуз. сб. науч. тр.-Новосибирск.: Изд-во НГУ, 1992.С. 73-82.

6. 1'езцо а ЛА. Архитектура и функциональное назначение адаптивной среды обучения программированию.- Новосибирск, 1992. 30 е.- (Препринт/ РАН. Сиб. отд-ние. ИСИ; 13).

7. Резцова ЛА. Растраиваемая среда активного обучения программированию на базе языка Паскаль: Руководство пользователе - Павлодар: ППИ, 1993. - 30 с.

1 2

Рио« i Окончательная подвль проивооа овучэння

пользователь I

управляющая программа

1 1 • 1 i i i

ENTBY 1(PSYCHOL i регист-( пропер-j рация ||ка пси-1 польоо-11холог. вателей11характе i | ристик! GENTSIÎ ¡1 EDIT IIEXPERT i генерд-11орела I консчльI тор Плля I |тации 1 задач 11програн|1 no 1 11пироиа-1|ошибкам I ния 1 I 1 il il i VBHOWSE) нетолы1 решенияj HELP помочь по яэыхч STATIC!il TUTOR статно-11 работа тика о I препо-работе ||лава-| |теля ' 1 ..il

-11 • , 11 -i LZl^-1 L

I - I I

i_I_!_1_

I

I [

<Кш л регистра| ии и I

п сыьзова1 трлей I

область

j Файл •гестов

¡библиотека |эадач

данных

Iбиблио-I тек а Iлрике-I роз

база правил

<райл помощи

4>ам/ш | пользо-I ватнлейI

рис- 2

Архитектурное решение АСОП.