автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка графо-алгебраических методов и средств обучения специализированной проектной деятельности в САПР

На правах рукописи

МАКСИМОВ АЛЕКСЕЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

Разработка графо-алгебраических методов и средств обучения специализированной проектной деятельности

в САПР

Специальность: 05.13.12-«Системы автоматизации проектирования (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ульяновск - 2004

Работа выполнена на кафедре «Вычислительная техника» Ульяновского государственного технического университета

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент АФАНАСЬЕВ А.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

СЕМУШИН И.В.

кандидат технических наук, профессор

ПОХИЛЬКОА.Ф.

Ведущая организация:

ФГУП «НПО «Марс», г. Ульяновск

Защита состоится 17 ноября 2004 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д212.277.01 при Ульяновском государственном техническом университете, ауд.211.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, д32. УлГТУ, ученому секретарю совета Д212.277.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ульяновского государственного технического университета.

Автореферат разослан 15 октября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

М.К. Казаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Наличие высококвалифицированных инженеров, ведение непрерывных работ по повышению их квалификации, обучение новых кадров- признаки высокоразвитой проектной культуры предприятия

Современное состояние в области САПР можно охарактеризовать приводимыми ниже основными положениями.

1. Появилось множество проектов, полностью выполненных с применением компьютерныхтехнологий.

2. Работа с программным обеспечением стала комфортнее, но при этом оно непрерывно продолжаетусложняться.

3. Сложность проектируемых изделий постоянно повышается, возрастают требования к качеству результатов проектирования, все чаще возникает необходимость вариантного проектирования.

4. Наблюдается быстрая сменяемость версий пакетов САПР, определяемая требованиями к объектам проектирования.

5. Повысились требования к уровню подготовки кадров. Современный инженер не только обязан быть компетентным в области проектирования, но и должен владеть компьютерными технологиями, быть знакомым с передовыми разработками в области автоматизированного проектирования. Компьютер стал главным инструментом поддержки проектной деятельности.

6. Возросла нагрузка на каждого инженера. Возросшие требования к квалификации, необходимость быстрого обучения новым версиям пакетов САПР, требование многопрофильности, которое предъявляют современные предприятия,- все это является дополнительной нагрузкой для современного инженера.

В сложившихся условиях остро встает проблема обучения инженеров специализированной проектной деятельности при использовании пакетов САПР.

Под спец иализированной проектной деятельностью (СПД) понимается проектная деятельность, которая выполняется при помощи пакетов САПР, реали-зуетзадачи конкретной области проектирования иучитывает особенности объектов проектирования.

Современные широко распространенные пакеты САПР имеют в своем составе компьютерные средства обучения (КСО), которые позволяют изучить возможности пакетов и принципы работы с ними. Кроме того, существует множество коммерчески распространяемых КСО для пакетов САПР.

Анализ известных встроенных КСО для пакетов САПР, позволяет выделить ряд их общих недостатков: 1) не учитывают, в силу своей универсальной технической реализации, особенности обучения СПД, 2) в большинстве случаев не позволяют расширять и добавлять новый обучающий материал, 3) обладают слабыми средствами контроля за обучением СПД.

Проведенный анализ средств разработки КСО СПД позволяет сделать вывод, что КСО СПД создаются преимущественно при помощи инструментальных сред-авторских систем (АС). Свойственная большинству АС универсальность не позволяет учесть в них особенности обучения СПД.

Модели, используемые в качестве основы представления учебных курсов (УК) в АС (на семантических сетях, графовые, фреймовые, гипертекстовые модели), также не отражают особенности обучения СПД.__

Анализ моделей УК позволяет выделить графовые

БИБЛИОТЕКА

тимальные для представления УК СПД. Это обусловлено их наглядностью, удобством определения отношений и связей между элементами УК, простотой преобразования структуры УК и масштабируемостью, возможностью создания структур УК различной сложности.

Таким образом, в настоящее время, актуальной и имеющей большое практическое значение задачей является разработка и применение компьютерных средств обучения специализированной проектной деятельности (КСО СПД), обеспечивающих эффективность, качество и сокращение сроков обучения инженеров.

Целью работы является исследование и разработка компьютерных методов и средств обучения инженеров СПД в САПР, которые позволили бы повысить эффективность обучения путем введения контроля над рядом его характеристик и путем сокращения времени разработки учебных курсов.

В соответствии с поставленной целью в работе формулируются и решаются четыре задачи исследований.

1. Разработка графового подхода для поддержки и анализа обучения СПД.

2. Разработка графовой модели учебного курса.

3. Разработка алгебры и операций преобразования моделей УК.

4. Разработка архитектуры и компонентов КСО СПД.

Объектом исследования является обучение проектированию на основе пакетов САПР.

Предметом исследования являются методы и средства компьютерного обучения инженеров СПД в САПР.

Методы исследования основаны на использовании положений и методов теории алгоритмов, теории множеств, теории алгоритмических алгебр, теории графов, теории параллельного программирования и параллельных сетевых схем алгоритмов, а также основ системотехники и теории автоматизированного проектирования.

Научная новизна определяется разработанным графо-алгебраическим подходом к обучению специализированной проектной деятельности в САПР. Предложенный подход позволяет повысить эффективность обучения СПД за счет:

1) учета структуры специализированной проектной деятельности в обучении, что позволяет контролировать ряд характеристик обучения СПД;

2) введения контроля за рядом характеристик обучения специализированной проектной деятельности, как на этапе разработки УК (полнота представления элементов СПД в учебном курсе, акценты в учебном курсе на элементы СПД), так и на этапе его применения (полнота изучения элементов СПД обучаемым, результаты изучения элементов СПД обучаемым);

3) сокращения времени разработки УК путем применения простой и удобной графовой модели УК СПД;

4) выполнения синтеза, преобразования и масштабирования УК СПД при помощи разработанной алгебры моделей учебных курсов;

5) применения методики разработки УК СПД, которая также способствует сокращению времени разработки УК.

Практическая ценность. Практическими результатами диссертационной работы являются:

\)разработана архитектура и компоненты КСО СПД, обеспечивающие поддержку обучения СПД через реализацию графо-алгебраического подхода к обучению. Архитектура КСО СПД включает 14 модулей, среди которых: модуль ввода и редактирования блоков учебного материала, модуль ввода и редактирования графа изучения СПД, модуль трансляции и модуль интерпретации графа изучения СПД, модуль ввода и редактирования графа структуры СПД, модуль анализа результатов обучения, модуль ввода тестов, модуль генерации аналитических графов и др. Компоненты КСО СПД позволяют:

а) задавать структуру и наполнять обучающим материалом УК СПД путем конструирования и визуализации графа Изучения СПД(ИСПД-графа);

б) конструировать граф Структуры СПД(ССПД-граф);

в) генерировать и визуализировать аналитические графы, входящие в систему графов для поддержки и анализа обучения СПД;

г) сохранять графовую модель учебного курса в разработанном формате на основе технологии XML;

2)разработана подсистема оценки знаний УСАТИК2.000, в которой используются методы классической теории тестирования для разработки научно обоснованных тестов оценки знаний. Подсистема оценки знаний может применяться как независимый инструментарий для организации и проведения входного, текущего, итогового компьютерного тестирования результатов обучения СПД с функциями оценки качества используемых тестов. На УСАТИК 2.000 получено СВИДЕТЕЛЬСТВО(РОСПАТЕНТ) обофициальнойрегистрации программы для ЭВМ № 2001611642. Коммерческие продажи по всей России и странам ближнего зарубежья подтверждают его практическую ценность;

3)разработан формат представления графовой модели УКСПДи структуры СПД на основе технологии XML. Формат, который является открытым для дальнейшего расширения, реализует хранение информации: о структуре СПД и ее представлении на экране монитора; о структуре учебного курса для обучения СПД; о представлении учебного курса в виде ИСПД-графа на экране монитора; о содержимом учебного курса СПД в виде модулей проектных операций (МПО) и их компонентов.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные программные средства внедрены в производственный процесс ФГУП «НПО «Марс» (г.Ульяновск), а также в учебный процесс: 1) Ульяновского государственного технического университета (г. Ульяновск), 2) Донского государственного межрегионального колледжа строительства, экономики и предпринимательства (г. Новочеркасск), 3) Челябинского монтажного колледжа (г. Челябинск), 4) Государственного предприятии «Регитра» (Литва, г.Вильнюс).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике» (КЛИН-2004) , г. Ульяновск, 2004; IV Международной конференции «Компьютерное моделирование 2003», г. Санкт-Петербург, 2003; Между-

народной конференции «Интерактивные системы: Проблемы человеко-компьютерного взаимодействия 2003», г. Ульяновск, 2003; Международной научной конференции «Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании», г. Пенза, 2003; X Международной научно-технической конференции «Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании (МК-85-92)», г. Пенза, 2002; Международной научно-технической конференции "Интерактивные системы», г.Ульяновск, 2001; IX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и инфоматика-2002», г. Москва, 2002; IV Всероссийской научно-практической конференции «Современные информационные технологии в образовании», г. Рязань, 2002; VII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», г. Нижний Новгород, 2002; Ежегодных внутривузов-ских конференциях профессорско-преподавательского состава, г. Ульяновск, 2004, 2003,2002,2001.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ. Получено СВИДЕТЕЛЬСТВО (РОСПАТЕНТ) обофициальнойрегистрации программы для ЭВМ№2001611642.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, библиографического списка использованной литературы, изложенных на 206 страницах машинописного текста, а также восьми приложений на 134 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок и 26 таблиц.

Список литературы включает 161 наименование.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель, основные задачи исследований, определены объект и предмет исследований.

В первом разделе проводится анализ предметной области исследований.

Рассматриваются основные понятия предметной области: «проектирование технического объекта», «проектная деятельность», «специализированная проектная деятельность», а также рассматриваются обобщенные подходы к проектированию и структурные элементы процесса проектирования.

Проводится классификация методов обучения СПД в САПР: 1) по форме обучения (тренинг под руководством преподавателя, самостоятельное обучение при помощи КСО СПД, смешанная форма: тренинг+КСО СПД); 2) по месту проведения обучения (в специализированном учебном центре, на предприятии).

Рассматриваются виды тренинга (пилотный, базовый, специализированный), достоинства и недостатки обучения СПД в специализированном учебном центре и на предприятии. Проводится анализ недостатков тренинговых форм обучения.

Проводится классификация КСО СПД в зависимости от решаемых при их помощи задач обучения. Выделяются четыре класса КСО СПД: 1) средства теоретической и технологической подготовки (компьютерные учебники, компьютерные обучающие системы, компьютерные системы контроля знаний; 2) средства

практической подготовки (компьютерные задачники, компьютерные тренажеры; 3) вспомогательные средства (компьютерные лабораторные практикумы, компьютерные справочники, мультимедийные учебные занятия); 4) комплексные средства (компьютерные учебные курсы, компьютерные восстановительные курсы).

Рассматривается концептуальная архитектура КСО СПД и описываются ее основные составляющие. Рассматриваются виды контроля знаний, применяемые в КСО СПД (входной, промежуточный, рубежный, итоговый контроль).

Анализируются средства разработки КСО СПД и рассматриваются специализированные инструментальные среды- авторские системы (АС)- наиболее распространенные сегодня для создания КСО СПД. Дается классификация АС: 1) по поколению инструментария (4 поколения); 2) по характерному подходу к проектированию КСО (авторский (сценариев) язык, структурно-функциональные схемы, схемы кадров, иерархическая схема, электронная книга, шкала времени, гипермедиа ссылки.

Анализируются возможности следующих АС: Дельфин, Урок, Macromedia Authorware, Quest, Lotus Learning Space, eLearning Office 3000, Прометей, Батисфера, ВСА. Результаты анализа представляются в двух аналитических таблицах и приложении 1.

Проводится анализ различных моделей (на семантических сетях, фреймовых, гипертекстовых, графовых) с целью их использования в качестве основных моделей в КСО СПД для разработки УК. Подробно рассматриваются две графовые модели обучения и представления учебного материала, проводится анализ их недостатков и делается вывод об их непригодности для применения в обучении СПД.

Формулируется постановка задачи, в которой выделяются семь положений.

1. Хорошая структурированность СПД, возможность ее декомпозиции на этапы, проектные процедуры и операции, должны быть обязательно использованы при создании КСО СПД.

2. Существует множество классов и видов КСО СПД, при помощи которых возможно грамотное решение различных учебных задач. Теория проектирования КСО, множество видов КСО и их распространенность позволяют говорить о зрелости и массовости применения КСО в различных областях знаний.

3. Проблемы обучения инженеров СПД в САПР приобретают все большую значимость. Это связано с тем, что постоянно появляются новые версии пакетов САПР, усиливается конкуренция между предприятиями способными выполнить заказ (их становиться больше, качество выполнения заказов растет).

4. Существует множество инструментальных сред разработки, при помощи которых можно разрабатывать КСО СПД.

5. КСО СПД большей частью представлены компьютерными учебниками, которые практически не отличаются от бумажных аналогов.

6. По причине широкой распространенности компьютерных учебников, подход к обучению СПД в САПР часто не отличается от подхода, который используется при обучении с применением учебной литературы (учебный материал структурируется по принципу содержания книги, и разбивается на главы и параграфы).

7. Существует сравнительно небольшое число КСО СПД, которые тесно интегрированы с изучаемой САПР и позволяют использовать ее функциональность во время обучения (для проверки знаний и совершенствования практических навыков инженеров).

Далее проводится детализация постановки задачи.

Отмечается, что графовые модели доказали удобство применения для структурирования и представления элементов УК. Это обусловлено их наглядностью, удобством определения отношений и связей между элементами УК, простотой преобразования структуры УК, возможностью создания структур учебных курсов различной сложности. Однако требуется доработка графового аппарата, т.к. существующие графовые модели не позволяют отразить особенности обучения СПД.

Обосновывается необходимость разработки специальной алгебры моделей УК, которая позволит производить синтез и формальные преобразования структуры УК, а также облегчит анализ структуры УК. Определяются общие требования к КСО СПД.

Формулируются восемь взаимосвязанных требований к КСО СПД, отражающих особенности обучения СПД.

1. Возможность при помощи КСО СПД трансформировать накопленный инженерный опыт в новую среду поддержки СПД (новую САПР).

2. Учет структурированности СПД в КСО СПД.

3. Поддержка «параллельности» обучения СПД в КСО СПД (обучение инженеров должно проходить без отрыва от работы).

4. Поддержка КСО СПД обучения в кратчайшие сроки.

5. КСО СПД должна адаптироваться к знаниям обучаемого инженера.

6. Дифференцированность обучения в КСО СПД (необходимо, чтобы каждый инженер получал только те знания, которые ему нужны в его работе).

7. Практическая направленность обучения в КСО СПД (обучение инженеров СПД должно быть максимально приближено к условиям, в которых им придется работать).

8. Тесная интеграция КСО СПД с изучаемой(ыми) САПР (позволяет активно использовать функциональность САПР в обучении и обучать СПД «на примерах»).

Во втором разделе разрабатывается графовый подход для поддержки и анализа обучения СПД. Подход обеспечивает формирование структуры и содержания обучения СПД, учитывает структуру СПД в обучении, и позволяет контролировать ряд характеристик обучения СПД (полноту представления СПД в УК, акценты в УК на элементы СПД, полноту изучения элементов СПД обучаемым инженером, результаты изучения отдельных элементов СПД обучаемым инженером).

В рамках подхода разрабатывается система графов, включающая: 1) граф Структуры СПД (ССПД-граф); 2) граф Изучения Специализированной Проектной Деятельности (ИСПД-граф); 3) граф для оценки Покрытия учебным материалом СПД (ПСПД-граф); 4) граф для выявления Акцентов на Модули Проектных Операций (МПО) учебного курса (АМПО-граф); 5) граф для отображения и анализа хода {Прогресса) Обучения СПД (ПОСД-граф); 6) граф для оценки Результатов Обучения элементам СПД (РОСД-граф).

ССПД-граф является трехуровневым иерархическим деревом (см. рис.1). Топология ССПД-графа следует из обобщенной структуры СПД. Нулевой уровень ССПД-графа (корень дерева)- СПД предприятия при создании изделия. Первый уровень ССПД-графа- этапы проектирования (обозначаются на рисЛО)- Второй уровень ССПД-графа- проектные процедуры (обозначаются нарис. 1Ц). Третий уровень ССПД-графа- проектные операции (обозначаются на рис.1\/).

ССПД-граф задается следующим образом: SPAg(V,E)={Gpa(V,E), CI, A(V), UC(V,CI), R} ,

где

GPA(V,Eb дерево СПД;

V= {Vo, VS, VP, VO}- множество нагруженных вершин дерева, состоящее из трех подмножеств вершин VS, VP, VO и вершины Vo:

Va- вершина нулевого уровня, представляющая СПД предприятия (корень дерева СПД);

VS= {Vi, V2, ..., Vn}— множество вершин первого уровня, которые представляют этапы проектирования;

множество вершин второго уровня, которые представляют проектные процедуры;

VO= {Vm+i, Vm+2, ..., V^}—множество вершин третьего уровня, которые представляют проектные операции; Е= {Ej, Е2,Е)}- множество ненагруженных дуг дерева СПД; СЬ= {Cli, CU,СЦ}- множество САПР используемых в СПД предприятия; A(V)= {Ai(Vi), A2CV2), Ak(Vk) }- логическое множество определяющее имеется ли поддержка в САПР того или иного элемента (этапа проектирования, проектной процедуры, проектной операции) дерева СПД; UC(V,C1}= {UCi(Vi, CIO, UC2(Vi, Cl2),..., UCs(Vk, СЦ) }- множество, элементы которого задают соответствия между элементами множества вершин V и элементами множества С1;

п, ш, k, j, z, s е N, где N- множество натуральных чисел;

множество, элементы которого задают ряд правил связанных с формированием элементов множеств А и UC.

ССПД-граф является базовым графом для ПСПД-, АМПО-, ПОСД- и РОСД-графов, которые определяются при помощи функций преобразования F. Графы, производные от ССПД-графа, имеют одинаковую с ним топологию и отличаются друг от друга принципами формирования весов вершин, а также областью применения в обучении СПД. ПСПД-, АМПО-, ПОСД- и РОСД-графы называются аналитическими, т.к. позволяют провести анализ элементов обучения СПД (полноту р^ j ССЦД-Граф

представления СПД в учебном курсе, полноту изучения СПД, знание отдельных элементов СПД).

Аналитические графы определяются следующим образом: ПСПД-граф: Gcpa (Н, D)= Fcpa ( SPAG(V,E), LSAg(K,P) ); АМПО-граф: Gata (H, D)= Fata ( SPAg(V,E), LSAG(K,P) ); ПОСД-граф: Gfta (H, D)= Ffta { SPAG(V,E), LSAG(K,P), MElsa ); РОСД-граф: GRTa(H, D)= FRTA ( SPAG(V, Е), LSAG(K,P), R(MELSA) ),

где

Ícpa, ®ата, Pjta, Frta- функции преобразования ССПД-графа в соответствующие аналитические графы; SPAC(V, ЕЬ ССПД-граф;

LSAg (К, Р)- ИСПД-граф (его определение, см. далее) включающий:

К= {KS, КВ, КЗ, Kcl, КР, KJ}- множество состоящее из подмножеств нагруженных вершин ИСЦЦ-графа;

Р= {PS, РС}— множество состоящее из подмножеств ориентированных дуг ИСЦЦ-графа;

MElsa- пройденный маршрут обучаемого инженера в ИСПД-графе (список пройденных вершин ИСЦЦ-графа);

R(MElsa)- результаты обучаемого инженера в МПО с тестами и расположенных по пройденному маршруту в ИСПЦ-графе; Gcpa (Н, Db П С П Ц - г Gata (Н, DH О - г р а ф ; Gpta (Н, D)~ ПОСЦ-граф, Grta (Н, D)- РОСЦ-граф, в которых:

множество взвешенных вершин аналитического графа, состоящее из трех подмножеств вершин HS, НР, НО и одной вершины Нв:

Но- вершина нулевого уровня аналитического графа, представляющая СПЦ предприятия;

множество вершин первого уровня аналитического графа, которые представляют этапы проектирования СПЦ;

множество вершин второго уровня аналитического графа, которые представляют проектные процедуры СПЦ;

множество вершин третьего уровня аналитического графа, которые представляют проектные опера-цииСПЦ;

D={Dj, D2,Dj}—множество дуг аналитического графа; i, j, Л, ш, к б N, где N- множество натуральных чисел.

ПСПД-граф, совместно с аналитическими графами и ИСПД-графом (см. ниже), составляет систему графов для поддержки и анализа обучения СПД.

Во втором разделе вводится понятие модуля проектной операции (МПО)-логически целостного и завершенного блока учебного материала, направленного на формирование знаний умений и навыков по определенной проектной операции. МПО определяется следующим образом: Mpo={D,t,c}, где

D- компонент «общие данные МПО» (предназначен для хранения данных связанных с МПО в целом);

Т- компонент «описание проектной операции» (описание проектной операции в текстовой, графической и звуковой формах);

С- компонент «контроль усвоения проектной операции» (предназначен для формирования у обучаемого инженера умений и навыков, а также для контроля усвоения учебного материала изложенного в компоненте Т);

Структура МПО представляется в виде фрейма со слотами- МПО-фрейма. В МПО-фрейме часть слотов являются макрослотами, т.е. слотами, содержащими набор слотов. В структуре МПО-фрейма вводятся три макрослота верхнего уровня, которые соответствуют определению Мро выше: «описание проектной операции», «контроль усвоения проектной операции», «общие данные». Приводится подробное описание 36 слотов (в приложении 3) составляющих МПО-фрейм.

Разрабатывается графовая модель учебного курса, которая позволяет представить УК в виде ориентированного графа.

Графовая модель учебного курса определяется следующим образом:

СМ^вС, С(У,Е), Си(V), »с},

где

8С= {БСь БСг» вСз, вС4, вС5, БСб}— множество типовыхпоследователь-ностей изучения проектных операций (ТППО), применяемых при построении ИСПД-графа:

ТПП01: Последовательное изучение проектных операций; всг- 11ш02: Последовательно-альтернативное изучение проектных операций;

Параллельное изучение независимых проектных операций;

Последовательное изучение проектных операций с условным выходом;

БСу- ГШ 105: Последовательно-альтернативное изучение проектных операций с саве-выходом;

Последовательно-альтернативное изучение проектных операций с условным выходом;

С(У, Еу- ИСЦЦ-граф, состоящий из ТППО множества БС;

У= {Ув, УВ, VI, Ус1, УР, УЛ}- множество нагруженных вершин

ИСПД-графа состоящее из подмножеств:

У!5= {Ув], УЯг,Увк} - простые вершины; УВ= {УВ1, УВг, УВ,,,} - вершины ветвления; У1= {VII, VI»} - итерационные вершины;

Ус1={^с11) УА) УсЩ - итерационные саве-вершины; УР= {УР|, УРг,УР,} - вершины распараллеливания; У«Г= {У«Г1, ...»У^} - вершины соединения; к, ш, п, 8, <! € N. где ^множество натуральных чисел; Е= {ЕБ, ЕС}- множество ориентированных дуг ИСПД-графа состоящее из подмножеств:

Е!$= (Евь Евй Ев,}- простые дуги; ЕС= {ЕСц ЕС2,ЕС»}-условные дуги;

множество натуральных чисел;

множество МПО (содержащих учебный и контрольный материал по СПД), ассоциированных с множеством вершин V ИСПД-графа.

11(2= {К!, Кг,..., К;}— множество правил перемещения обучаемого инженера по ИСПД-графу.

<А|>.

<А2>

0-Чь)

Рис.2. Пример ТПП01

ТПП01: Последовательное изучение проектных операций.

ТПП01 предназначена дня описания цепочки проектных операций, изучение элементов которой, происходит строго друг за другом. Интерпретация ТПП01 (на примере рис.2): Нахождение обучаемого инженера в состоянии 81 говорит о том, что он в данный момент изучает МПО Ад;

Шаг 1. После окончания изучения МПО Ад, обучаемый инженер по простой дуге переходит в состояние Бг, т.е. к изучению МПО Аъ

ТПП02: Последовательно-альтернативное изучение проектных операций

ТПП02 предназначена для описания цепочки проектных операций, порядок изучения элементов которой, зависит от значения логического условия

Интерпретация ТПП02 (на примере рис.3): Шаг 1. После окончания изучения МПО происходит проверка условия Шаг 2. Если условие аКПШЕ, то обучаемый инженер по условной дуге, помеченной условием а, переходит в состояние Бг, т.е. к изучению МПО А2,

Иначе (условие а=РАЬ8Е) обучаемый инженер по условной дуге, помеченной условием переходит в состояние т.е. к изучению МПО

ТПП03: Параллельное изучение независимых проектных операций.

ТППОЗ предназначена для описания цепочки проектных операций, выполнение и изучение элементов которой, возможно параллельно с другими элементами последовательности (проектными операциями) и независимо от них.

Интерпретация ТППОЗ (на примере рис.4): После окончания изучения МПО Ад'. Шаг 1. Обучаемый инженер может по своему усмотрению, следуя по одной из простых дуг исходящих из вершины распараллеливания и не имеющей метки «последовательность изучена», перейти к изучению следующего МПО. При этом дуга, по которой перешел обучаемый инженер, помечается, как «последовательность изучена»;

Шаг 2.По окончании изучения последнего МПО (предшествующего вершине соединения) одной из независимых последовательностей, происходит пометка дуги, входящей в вершину соединения, меткой «последовательность изучена»;

Шаг З.Проверяется наличие меток «последовательность изучена» на всех дугах, входящих в вершину соединения;

Шаг А.Если существует хотя бы одна дуга входящая в вершину соединения и не имеющая метки «последовательность изучена», то происходит переход на Шаг1, Иначе обучаемый инженер переходит в состояние т.е. к изучению МПО

А4.

. Пример ТПП04

ТПП04: Последовательное изучение проектных операций с условным выходом.

ТПП04 предназначена для описания цепочки проекгных операции, в которой переход к изучению

следующего элемента последовательности (МПО) ( 81 10 )( Бг ) возможен только после выполнения логического условия а. Без выполнения данного условия, переход к Р изучению следующего элемента последовательности невозможен (см. рис. 5). Интерпретация ТППО4 (на примере рис. 5):

Шаг 1.После окончания изучения МПО Аь происходит проверка условия а; Шаг 2. Если условие а=ПШЕ, то по дуге происходит переход обучаемого инженера в состояние Бг, т.е. к изучению МПО А2,

Иначе (если условие а=РА8ЬЕ) обучаемый инженер возвращается в состояние Эь т.е. к изучению

МПО А].

ТПП05: Последовательно-альтернативное изучение проектных операций с саве-выходом.

ТПП05 является расширением ТПП04 и предназначена для описания цепочки проектных операций, когда переход к изучению следующего элемента цепочки (МПО) возможен только после выполнения одного из заранее заданных условий. При этом направление перехода (выбор следующего элемента цепочки для изучения) зависит от условия, которое было выполнено первым (см. рис. 6). Интерпретация ТПП05 (на примере рис. 6):

Шаг 1.После окончания изучения МПО А] происходит последовательная проверка условий

Шаг 2.Если условие Р^ТЯЦЕ, то происходит переход обучаемого инженера в состояние Бг, т.е. к изучению МПО Аг,

ИначеЕсли условие Р2=ПШЕ, то происходит переход обучаемого инженера в состояние Бз, т.е. к изучению МПО Аз,

Иначе (ни одно из условий не выполнено) обучаемый инженер возвращается в состояние вь т.е. к изучению МПО А1.

Таким образом, изучение МПО А] происходит до тех пор, пока не выполнится хотя бы одно из условий

В общем случае, количество условий в ТПП05 может быть произвольным, а не только два, как в примере выше.

ТПП06: Последовательно-альтернативное изучение проектных операций с условным выходом.

ТПП06 является объединением ТПП02 и ТПП04 и предназначена для описания последовательности проекгных операций, когда переход к изучению следующего элемента последовательности (МПО) возможен только после выполнения логического условия а, и в зависимости от результата проверки логического условия про-

исходит переход к изучению одного из альтернативных друг другу элементов последовательности (см. рис.7). Интерпретация ТПП06 (на примере рис. 7):

Шаг 1. После окончания изучения МПО А) происходит проверка условия а; Шаг 2.Если условие а=ТШЗЕ, происходит переход на Шаг 3, Иначе обучаемый инженер возвращается в состояние Б], т.е. к изучению МПО Аь

Шаг 3.Если условие р^ПЩЕ выполнено, то происходит переход обучаемого инженера в состояние Бг, т.е. к изучению МПО Аг,

Иначе (если условие (3 не выполнено), то происходит переход обучаемого инженера в состояние Бз, т.е. к изучению МПО Аз.

Шесть вышеописанных ТППО множества 8С применяются при построении ИСПД-графа. Во втором разделе также приведен пример ИСПД-графа с введенными ТППО. Описаны восемь правил перемещения обучаемого по ИСПД-графу.

Во третьем разделе разрабатывается алгебра моделей учебных курсов и описывается ее применение в обучении СПД.

Под алгеброй моделей учебных курсов (АМУК) понимается система:

Си(У)= {А1(У0, Аг(Уг), ... , А^У,,) I П е N1 - множество объектов-операторов алгебры. Каждый элемент множества Си ассоциирован с вершиной ИСПД-графа (Ув);

^СТр {Кш" Аг,..., А„) I п, гп е N1 - множество операций над множест-N множество натуральных чисел. Множество алгебраических операций Еси включает семь операций.

Операция 1: «последовательное изучение».

Формально ее можно представить следующим образом: «шератор1> • <оператор2>,

где

<оператор1>, <оператор2>- операторы АМУК, ассоциированные с вершинами ИСПД-графа;

символ вводимой операции «последовательное изучение». Используя введенную операцию, ИСПД-граф на рис.2 можно представить следующим алгебраическим выражением:

Операция 2: «а-дизъюнкция».

Формально ее можно представить следующим образом: <Оператор1>*(<АльтВыраж1>У<АльтВыраж2>)*<()нератор2>,

где

Оператор 1>, <Оператор2>- операторы АМУК, ассоциированные с вершинами ИСПД-графа;

<АльтВыраж1>, <АльтВыраж2>- алгебраические выражения (ЛВ), которые могут включать любые операции АМУК Каждое АВ может состоять и из одного оператора, ассоциированного с вершиной ИСПД-графа; «{» — символ начала описания <АльтВыражение1>;

«V»- символ окончания описания <АльтВыраж1> и начала описания <Альт-Выраж2>;

«)»— символ окончания описания альтернативных веток а-дизъюнкции. При помощи введенной операции ИСПД-граф на рис.3 можно представить: А,» (А2У А3) • А»;

а

Операция 3: ((независимое изучение».

Формально ее можно представить следующим образом: <Операт1>* [<Выраж1> П <Выраж2>...П... <BыpaжN>]•<Oиepaт2>,

где

<Операт1>, <Операт2>- операторы АМУК, ассоциированные с вершинами ИСПД-графа;

<Выраж1>, <Выраж2>,... <ВыражЫ>- алгебраические выражения, которые могут включать любые операции АМУК (каждое выражение может состоять и из одного оператора, ассоциированного с вершиной ИСПД-графа);

- символ начала описания независимых веток операции; символ окончания описания N-1 независимой ветки и начала описания N независимой ветки операции. Т.е. данный символ разделяет независимые ветки операции;

- символ окончания описания независимых веток операции.

Используя введенную операцию, ИСПД-граф на рис.4 можно представить следующим алгебраическим выражением:

Операция 4: «а-иикл».

Формально ее можно представить следующим образом: { <Оператор а-цнкла> } ,

где

<Оператор а-цикла>- оператор АМУК, ассоциированный с вершиной ИСПД-графа;

«{» - символ начала описания операции «а-цикл»; «}» - символ а окончания описания операции «а-цикл». Используя введенную операцию «а-цикл», ИСПД-граф на рис.5 можно представить следующим алгебраическим выражением: {А1} • Аг;

Операция 5: «сазв-дизъюнкиия».

Формально ее можно представить следующим образом: {<ИтерОператор>} • (<Са»еВыр1>У(<Са8еВыр2>...У(<Са8еВыр1с>У 0)) ,

где

<ИтерОператор>- оператор АМУК, ассоциированный с вершиной ИСПД-графа;

<CaseBыpl>, <CaseBыp2>, .. , <CaseBыpK>- алгебраические выражения, которые могут включать любые операции АМУК. Каждое выражение может состоять и из одного оператора, ассоциированного с вершиной ИСПД-графа - символ начала описания итерационного оператора

1К «case-дизъюнкции»;

уРп

«}» - символ окончания описания итерационного оператора «саве-дизъюнкции»; «(» — символ начала описания К case-ветки операции;

«V»— символ окончания описания К case-ветки операции; «0»— символ, который указывает на окончание описаний саве-веток (после этого символа всегда следуют К закрывающих скобок «)», которые завершают операцию «case-дизъюнкция»).

Операция 6 «УДВ-операиия».

Формально ее можно представить следующим образом:

<ПровОдераторы><Оператор>,

где

<ПровОператоры>- список операторов АМУК, перечисленных без каких-либо разделительных символов. Список может состоять и из одного оператора; <Оператор>- оператор АМУК, ассоциированный с вершиной ИСПД-графа

Используя «Уда-операцию», ИСПД-граф, изображенный на рис.8, можно представить следующим алгебраическим выражением:

А1*£А2*|А4п АзА5^ П а3»^А5Г\А6]]»А7-,

Операция 7: «возврат».

Формально ее можно представить следующим образом:

<Оператор>,

где <Оператор>- оператор АМУК, ассоциированный с вершиной ИСПД-графа;

Используя операцию «возврат», ИСПД-граф, изображенный на рис.9, можно представить следующим алгебраическим выражением:

Рис.8. Пример ТШЮЗ+

В приложении 3 также рассматриваются тождественные преобразования в АМУК, приводится пример «выноса за скобки» общих операторов в алгебраическом выражении. Дается описание синтаксиса АМУК в форме грамматики Бэкуса-Наура. Рассматривается пример записи ИСПД-графа в АМУК.

В третьем разделе вводится ряд операций преобразования алгебраических выражений записанных в алгебре моделей учебных курсов: «Вставка»- INS, «Удаление»- DEL, «Замена»- RPL, «Наложение»- LAY.

Каждая из операций преобразования применима только для определенных операций АМУК (и, соответственно, определенных ТППО, которые представляются при помощи АМУК). Это связано с тем, что АМУК специализирована и применяется исключительно для описания структуры УК (ИСПД-графа). Поэтому вводимые операции преобразования рассматриваются в отдельности для каждой операции АМУК. При существовании определенных ограничений на применение операций преобразования, оговариваются соответствующие ограничения.

Операция преобразования «Вставка»- INS.

INS (<Выражение1>, <ДобОператор>, <Выражение2>),

где

<Выражение1>- АВ, в которое происходит вставка нового выражения;

<ДобОператор>- оператор из AB <Выражеиие1>, после которого необходимо вставить новое АВ то происходит вставка нового выражения в начало <Выражение1>);

<Выражение2>- АВ, которое вставляется в <Выражение1>. В качестве выражения может быть один единственный оператор.

Рассмотрим данную операцию на примерах.

INS (AJ*A2*A3, A3, А4»А5) = А1«А2*Аз*А4*А5; INS (AI»A2*A3, 0, А4*А5) = А4*А5*Ai • А2* А3; INS (Ai»(A2VA3)»A4, A2J А5) = А1*(А2»А5УАЗ)*А4;

INS (|A1}*(A2V^A3V0))*A4, АЗ, {AS}«А«)^|А,}•(A2V^A3«{А5}•A6V0))#A4;

Вводятся и обосновываются два ограничения на применение операции INS.

Операция преобразования «Удаление»-DEL.

DEL (<Выражение>, <УдалОператор>),

где

<Выражение>- АВ, из которого необходимо удалить оператор;

<УдалОператор>- оператор для удаления из <Выражение>.

Рассмотрим выполнение операции DLL на примерах.

DEL (Ai*[A2nA3]*A4, А2)= А1*[0ПА3]*А4= А,*А3*А4; DEL(|Ai}*(A2Vb(A3V0))*A4)A2)=b{A1}»^A3V0)«A4={A,}*A3*A4;

Вводятся и обосновываются четыре ограничения на применение операции

DEL.

Операция преобразования «Замена»- RPL. RPL(<Выраж1>, <Выраж1_1>, <Выраж1_2>), где

<Выраж1>- алгебраическое выражение для выполнения операции; <Выраж1_1>— алгебраическое выражение для выполнения замены, которое являетсячастью <Выраж1>;

<Выраж1_2>- АВ, на которое происходит замена <Выраж1_1>.

Рассмотрим выполнение операции RPL на примерах.

RPL (А^А^Аз, А2«А3 ,A2«(A5VA7)«A3 )= A1*A2»(A5VA7)«A3;

RPL (А,*(А2УАз)*А4, А2, А5)=А1*(А5УАз)*А4;

RPL (А]в[А2 ПА3]»А4, [А2ПА3], А5) = Ai*A5*A4;

Вводятся и обосновываются пять ограничений на применение операции RPL.

Операция преобразования «Наложение»- LAY. LAY(<Выражение1>, <Выражение2>),

где <Выражеиие1>, <Выражение2>- алгебраические выражения, наложение которых друг на друга необходимо выполнить.

Рассмотрим выполнение операции LAY на примерах.

LAY (Ai»A2*A3, А1*А5*А7*АЗ) = AI*[A2П А5*А7] *А3;

LAY (Ао *Ai* [А2 ПАз] • А,, Ао »As» [А2 ПА3] • At) =

= Ай^А^^Аг qA3A3]nA5»[AiA2QAiA3]]*A4= Ao*[AinAj]e[A2nA3]*A4;

LAY({AI}.A2.A3>b{A1}.A4*A3)=JA1}.(A2V^A(V0))*A3

Вводится и обосновывается одно ограничение на применение операции LAY. Общее количество приведенных примеров применения операций преобразования равно 25.

Приводится таблица возможных вариантов преобразования алгебраических записей ТППО друг в друга при помощи описанных выше операций преобразования.

В четвертом разделе рассматривается авторская методика разработки учебных курсов в КСО СПД, описываются пять ее этапов.

Этап!.КонструированиеССПД-графа. Определяется состав вопросов, необходимых для конструирования ССПД-графа, приводится описание алгоритма его конструирования, дано описание переменных, которые инициализируются в ходе опроса эксперта.

Этап 2. Отбор, классификация и группировкаучебного материала. Для целей классификации учебного материала предлагается использовать множество КМ= {ЛК!(Х, Y), ЛК2(Х, Y), ЛК3(Х, Y),jnC,(X, Y)},

состоящее из четырех лингвистических ключей (JIK): ЛК](0, 0)- принадлежность учебного материала не определена (0%); JIK2(0,Y)~ принадлежность учебного материала частично не определена, с долей Y%; ЛКз(Х,У)- учебный материал частично принадлежит X с долей Y%; ЛК^Х, 100)— учебный материал принадлежит X полностью (Y=100%).

Под лингвистическим ключом понимается функция с двумя аргументами:

JIK„(X, Y),

гдеп— 1..4—код (тип) лингвистического ключа;

Х- идентификатор вершины третьего уровня в ССПД-графе (идентификатор проектной операции);

Y— 0.. 100%— доля соответствия/несоответствия (в зависимости от типа Ж) учебного материала вершине X ССПД-графа.

Вводится понятие переменной «Статус классификации»- СК, в качестве значений которой используются лингвистические ключи из множества КМ. Определяются пять ограничений на значения переменной СК, приводится описание алгоритма этапа 2.

Этап 3. Разработка тестов для оценки знаний. Отмечается роль классической тестовой теории, которую рекомендуется применять в ходе разработки тестов для КСО СПД. Приводятся рекомендации по применению программного обеспечения, которое позволяет разрабатывать тесты, используя методы классической тестовой теории. Отмечается, что автором создан пакет программ для разработки научно обоснованных тестов- УСАТИК 2.000, рассматривается типовое его применение.

Этап 4. Определение требований к контрольным МПО. Определяются два типа требований, которые задаются для каждого контрольного МПО (МПО с тестом).

1. Требования к знаниям обучаемого инженера. Вводится множество лингвистических оценок: ЛО= {«очень плохо», «плохо», «удовлетворительно», «хорошо» н «отлично»}. В данном случае множество ЛО состоит из пяти элементов. Однако, в общем случае, размерность множества ЛО и наименования его элементов не фиксированы и могут изменяться разработчиком УК. При помощи специальной таблицы задаются требования к знаниям (для каждого из контрольных МПО индивидуально). В результате на этапе конструирования ИСПД-графа (см. описание этапа 5) при задании а-условий разработчик УК использует элементы множества ЛО, а не тестовые баллы.

2. Требования к продолжительности тестирования. Вводится множество лингвистических интервалов продолжительности тестирования: ЛИ= {«очень малая», «малая», «обычная», «большая», «очень большая»}. В

данном случае множество ЛИ состоит из пяти элементов. Однако, в общем случае, размерность множества ЛИ и наименования его элементов не фиксированы и могут изменяться разработчиком УК. При помощи специальной таблицы задаются соответствия между продолжительностью тестирования в минутах и элементами множества ЛИ (для каждого контрольного МПО индивидуально).

Этап 5. Конструирование ИСПД-графа. Является завершающим этапом разработки УК. Отмечается, что конструирование ИСПД-графа- творческий и не per-

ламентированный процесс. Кратко рассматриваются стратегии обучения при помощи ИСПД-графа. Формулируются рекомендации общего плана, которых следует придерживаться при разработке ИСПД-графа.

В четвертом разделе также рассматриваются принципы адаптации КСО СПД к обучаемым инженерам. Определяется состав множества а-условий (введено одиннадцать типов а-условий). Отмечается, что адаптация КСО СПД реализуется на уровне введенных а-условий. Приводится описание каждого из а-условий, принципы их использования в КСО СПД. Рассматривается применение ШЛО для реализации адаптации КСО СПД. Проводится исследование применимости типов а-условий в различных ТПП0 и вводится пять ограничений на применение некоторых типов а-условий в ТППО. Вводятся понятия: «значение а-условия по умолчанию», «бесконечный итерационный цикл первого и второго рода».

Приводится структура КСО СПД. Выделяются четырнадцать модулей, рассматриваются их функции и взаимодействие.

Разрабатывается методика оценки характеристик КСО СПД. Выделяются три группы характеристик для оценки КСО СПД: 1) общие для всех программных продуктов: а) надежность-отказоустойчивость, б) безопасность-конфиденциальность, в) эффективность по быстродействию, г) стоимость, д) удобство-интуитивность интерфейса, е) открытость, ж) мультиплатформенность, з) затраты на сопровождение, и) мобильность; 2) специфичные для КСО: а) адаптивность к обучаемому, б) квалификация разработчика УК, в) начальная квалификация обучаемого, г) возможный уровень взаимодействия с САПР, д) разнообразие форм учебного материала, е) средства диагностики обучения, ж) средства диагностики полученных знаний, з) мощность моделей обучения; 3) экспериментальные для КСО: а) продолжительность проектирования учебного курса, б) стоимость проектирования учебного курса, в) стоимость обучения специалиста.

Вышеперечисленные характеристики позволяют оценить разработанную КСО СПД в сравнении с другими средствами разработки КСО. Приводится методика расчета и рекомендованные автором значения весовых коэффициентов для всех характеристик. Результат оценки КСО СПД представляется числом в интервале [0,100].

В Приложениях 1, 2.3 и 4 приводятся дополнительные материалы к главам диссертации. Среди данных материалов: описание существующих классов КСО СПД; описание характерных подходов к проектирования КСО, применяемых в АС; обзор известных АС; примеры КСО СПД; рассмотрение тождественных преобразований в АМУК; описание синтаксиса АМУК в грамматике Бэкуса-Наура; алгоритмы трансляции ИСПД-графа между его алгебраическим представлением и графовым; алгоритмы конструирования ССПД-графа и алгоритм этапа отбора, классификации и группировки учебного материала для УК и многое другое.

В Приложении 5 приведено описание формата представления УК в КСО СПД (на основе стандарта XML). Приложение 6 содержит материал по сравнению КСО СПД с другими средствами разработки КСО. Приложение 7 содержит описание эксперимента по разработке УК СПД с применением графовой модели. Приложение 8 содержит примеры УК по САПР КОМПАС 5.11 и САПР P-CAD 2001, которые были разработаны при помощи КСО СПД.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан графовый подход к обучению СПД. Подход основан на системе графов (ССПД-, ИСПД-, ПСПД-, АМПО-, ПОСД-, РОСД-графах) и обеспечивает формирование структуры и содержания обучения СПД. Применение данного подхода позволяет повысить эффективность обучения СПД за счет: 1) учета структуры СПД в обучении, что позволяет контролировать ряд характеристик обучения СПД; 2) совершенствования процедуры анализа обучения СПД путем его оценки по ряду критериев (полноты представления СПД в УК, акцентов в УК на элементы СПД, полноты изучения элементов СПД обучаемым инженером, результатов изучения отдельных элементов СПД обучаемым инженером).

2. Разработана графовая модель учебного курса СПД. Модель обеспечивает формирование структуры УК СПД и его содержания. Применение графовой модели УК СПД также позволяет повысить эффективность обучения СПД за счет сокращения времени разработки УК СПД. Сокращение времени разработки УК СПД обеспечивается путем использования удобной, компактной визуальной модели. Модель УК СПД может быть адаптирована, как для хорошо подготовленных инженеров, так и для инженеров с небольшим практическим опытом.

3. Разработана алгебра моделей учебных курсов. Алгебра обеспечивает синтез, преобразование структуры УК СПД, возможность перехода от алгебраического выражения к графовой форме УК СПД. Множество операций АМУК состоит из семи элементов («последовательное изучение», «а-дизъюнкция», «независимое изучение», «а-цикл», «case-дизъюнкция», «УДВ-операция», «возврат»), которые позволяют представить структуру любого ИСПД-графа в данной алгебре. В АМУК разработаны четыре операции преобразования («вставка», «удаление», «замещение», «наложение»), при помощи которых выполняются преобразования алгебраических выражений, а, следовательно, модифицируется структура ИСПД-графа представленного в АМУК.

4. Предложена методика разработки УК для обучения инженеров СПД в САПР. Методика описывает оптимальную последовательность и содержание этапов проектирования УК для обучения инженеров СПД в САПР. Применение методики позволяет ускорить (по сравнению с известными методами) разработку УК СПД за счет формализации шагов методики проектирования УК.

5. Разработана архитектура и реализованы компоненты КСО СПД, обеспечивающие поддержку обучения СПД путем применения графо-алгебраического подхода. Компоненты КСО СПД позволяют: а) задавать структуру и наполнять обучающим материалом УК СПД путем конструирования и визуализации ИСПД-графа; б) конструировать граф структуры СПД (ССПД-граф); в) генерировать и визуализировать аналитические графы, входящие в систему графов для поддержки и анализа обучения СПД; г) сохранять графовую модель учебного курса в разработанном формате на основе технологии XML.

6. Разработана подсистема оценки знаний УСАТИК2.000, в которой, для разработки научно обоснованных тестов оценки знаний, используются методы классической теории тестирования. На УСАТИК 2.000 получено СВИДЕТЕЛЬСТВО (РОСПАТЕНТ) об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2001611642. Подсистема оценки знаний может применяться как независимый

инструментарий для организации и проведения входного, текущего, итогового компьютерного тестирования результаюв обучения СПД с функциями оценки качества используемых тестов.

7. Разработан формат представления графовой модели УК СПД и структуры СПД на основе технологии XML. Формаг, который является открытым для дальнейшего расширения, реализует хранение информации: 1) о структуре СПД и ее представлении на экране монитора; 2) о структуре УК СПД и его представлении в виде ИСПД-графа на экране монитора; 4) о содержимом учебного курса СПД в виде МПО и их компонентов.

ПУБЛИКАЦИИ

1. РОСПАТЕНТ: СВИДЕТЕЛЬСТВО об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2001611642.-Москва, 2001.

2. Афанасьев А.Н., Полетаев B.C., Сибирев В.В., Максимов А.В. Компьютерные технологии в учебно-воспитательном и управленческом процессах образовательного учреждения. // Методические рекомендации по внедрению и использованию- Ульяновск: УлГТУ, 2001- 42 с.

3. Максимов А.В Разработка интеллектуальной системы анализа знаний с применением методов нечетких экспертных систем. // Interactive Systems: The Problems of Human-Computer Interaction: Proceedings of the International Co nferenc e. - Ulyanovsk: U1STU, 2001. -P.125-127.

4. Афанасьев А.Н., Максимов А.В. Организация оценки качества знаний на базе нечеткого тестового контроля. // Современные информационные технологии в образовании: Тезисы IV Всероссийской НПК.- Рязань: Рязанский областной институт развития образования, Рязанские филиалы Международной академии информатизации и академии информатизации образования, 2002.- С.77-81.

5. Афанасьев А.Н., Максимов А.В. Интеллектуальная компьютерная система обучения САПР. // Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании: Сборник статей X Международной НТК-Пенза: Приволжский дом знаний, 2002. - С.319-321.

6. Максимов А.В. Организация встроенного обучения в САПР. // Информационные технологии в науке, проектировании и производстве: Материалы VII Всероссийской НТК.- Н. Новгород, 2002. - С.50-52.

7. Афанасьев А.Н., Максимов А.В. Разработка моделей построения учебных комплексов для САПР. // Компьютерное моделирование 2003: Труды IV Международной НТК- С.Петербург, 2003. - С.385-387.

8. Афанасьев А.Н., Максимов А.В. Проектирование интеллектуальной обучающей системы для САПР. // Interactive Systems: The Problems of HumanComputer Interaction 2003: Collection of scientific papers of international conference-Ulyanovsk: U1STU, 2003. -P.237-242.

9. Максимов A.B. Разработка моделей интеллектуально-тестового обучения САПР. // Interactive Systems: The Problems of Human-Computer Interaction 2003: Proceedings ofthe Intern. Co nf.-Ulyanovsk: UlSTU, 2003.-P.119-121.

10.Афанасьев А.Н., Максимов А.В. Проектирование интеллектуальной обучающей системы для САПР. // Interactive Systems: The Problems of HumanComputer Interaction 2003: Proceedings of the International Conference.-Ulyanovsk: UlSTU, 2003. - P . 124-125.

11.Афанасьев АМ., Максимов А.В. Алгебраический подход к построению учебных комплексов для САПР. //Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании: Сборник материалов Международной научной конференции.- Пенза, 2003. - С.8-11.

12.Афанасьев А.Н., Максимов А.В. Инструментальные средства анализа и контроля знаний // Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании: Сборник материалов Международной научной конференции.- Пенза, 2003. - С. 11-13.

13.Максимов А.В. Разработка алгебры моделей учебных курсов для обучения инженеров проектной деятельности в САПР. // Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике: Труды VIII Международной конференции- Ульяновск, 2004. - С.94-96.

14.Максимов А.В. Разработка графового подхода для эффективной поддержки процесса обучения проектной деятельности. // Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике: Труды VIII Междун. конференции-Ульяновск, 2004. -С.97-99.

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АС -авторская система; САПР

АВ -алгебраическое выражение; АМУК -алгебра моделей учебных

курсов; СПД

КСО -компьютерное(ые)

средство(а)обучения; ТППО МПО -модуль проектной операции;

ССПД-ИСПД-ПСПД-АМПО-ПОСД РОСД-

граф граф граф -граф граф граф

-система

автоматизированного проектирования; специализированная проектная деятельность; типовая последовательность изучения проектных операций; УК -учебный курс;

-граф структуры СЦД; -граф изучения СЦД;

-граф для оценки покрытия учебным материалом СПД; -граф выявления акцентов на модули проектных операций; -граф для отображения и анализа прогресса обучения СПД; -граф для оценки результатов обучения элементам СПД;

АВТОРЕФЕРАТ

МАКСИМОВ Алексей Вячеславович

Разработка графо-алгебраических методов и средств обучения специализированной проектной деятельности в САПР

Подписано в печать 15.10.2004. Формат 60x84/16 Бумага писчая. Усл. п. л. 1,17. Уч.-изд.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ № 4490

Типография УлГТУ. 432027. Ульяновск, Сев. Венец, 32.

é 1 §?2о

Введение.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОБУЧЕНИЯ

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ (СПД) В САПР

1.1. Проектная деятельность, специализированная проектная деятельность и САПР 1.1.1. Понятия проектной деятельности и специализированной проектной деятельности.

1.1.2. Структура процесса проектирования.

1.2. Методы обучения СПД.

1.2.1. Классификация методов обучения СПД.

1.2.2. Анализ недостатков тренинговой формы обучения- основной формы обучения СПД.

1.3. Компьютерные средства обучения (КСО) СПД.

1.3.1. Классификация КСО СПД.

1.3.2. Концептуальная архитектура КСО СПД.

1.3.3. Виды контроля знаний применяемые в КСО СПД.

1.4. Анализ средств разработки КС О СПД.

1.4.1. Авторские системы для разработки КСО СПД.

1.4.2. Анализ возможностей авторских систем.

1.5. Анализ моделей учебных курсов СПД.

1.5.1. Модели на семантических сетях, фреймовые, гипертекстовые и графовые модели.

1.5.2. Графовая информационно-логическая модель Башмаковых.

1.5.3. Графовая модель учебно-методического комплекса КАДИС.

1.5.4. Анализ недостатков рассмотренных графовых моделей обучения.

1.6. Постановка задачи.

1.7. Выводы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ГРАФОВОГО ПОДХОДА ПОДДЕРЖКИ И АНАЛИЗА ОБУЧЕНИЯ СПД.

2.1. Разработка системы графов поддержки и анализа обучения СПД.

2.1.1. Граф структуры СПД- основа системы графов.

2.1.2. Граф анализа покрытия учебным материалом СПД.

2.1.3. Граф анализа акцентов на МПО учебного курса.

2.1.4. Граф анализа прогресса обучения СПД.

2.1.5. Граф анализа результатов обучения СПД.

2.1.6. Разработка системы графов для обучения СПД.

2.2. Разработка графовой модели учебного курса.

2.2.1. Определение графовой модели учебного курса. 2.2.2. Модуль проектной операции- элементарная логическая единица учебного курса.

2.2.3. Граф изучения СПД (ИСПД-граф) и типовые последовательности изучения проектных операций.

2.2.4. Правила перемещения обучаемого по ИСПД-графу.

2.3. Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГЕБРЫ МОДЕЛЕЙ УЧЕБНЫХ КУРСОВ.

3.1. Определение алгебры моделей учебных курсов.

3.1.1. Операции алгебры моделей учебных курсов.

3.1.2. Представление типовых последовательностей изучения проектных операций в алгебре моделей учебных курсов.

3.2. Операции преобразования в алгебре моделей учебных курсов.

3.2.1. Операция преобразования «Вставка»- INS.

3.2.2. Операция преобразования «Удаление»- DEL.

3.2.3. Операция преобразования «Замещение»-RPL.

3.2.4. Операция преобразования «Наложение»-ЬАУ.

3.3. Выводы.

ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА КСО СПД.

4.1. Методика разработки учебных курсов в КСО СПД.

4.1.1. Конструирование ССПД-графа.

4.1.2. Отбор, классификация и группировка учебного материала.

4.1.3. Разработка тестов для оценки знаний при помощи пакета программ УСАТИК 2.

4.1.4. Определение требований к контрольным МПО.

4.1.5. Конструирование ИСПД-графа.

4.2. Принципы адаптации КСО СПД к обучаемому инженеру.

4.2.1. Типы а-условий, применяемых в КСО СПД.

4.2.2. Применение типовых последовательностей изучения проектных операций для реализации адаптации КСО СПД.

4.3. Структура КСО СПД.

4.4. Методика оценки характеристик КСО СПД.

4.5. Выводы.

Актуальность проблемы.

Наличие высококвалифицированных инженеров, ведение непрерывных работ по повышению их квалификации, обучение новых кадров- признаки высокоразвитой проектной культуры предприятия. В технологически развитых странах инженер, не повышающий свою квалификацию в течение пяти лет, лишается возможности карьерного роста и теряет в заработной плате. Квалификация проектировщика сказывается на доходах любого предприятия, а затраты на качественное проектное решение несопоставимы с ценой проектной ошибки.

Современные технологии проектирования сегодня доступны для большинства предприятий. Это связано как с падением цен на персональную вычислительную технику, так и с тем, что на рынке предлагается множество зарубежных и отечественных САПР различного класса и стоимости [11].

Современное состояние в области САПР можно охарактеризовать следующими положениями:

1. Появилось множество проектов, полностью выполненных с применением компьютерных технологий.

2. Работа с программным обеспечением стала комфортнее, но при этом оно непрерывно продолжает усложняться.

3. Сложность проектируемых изделий постоянно повышается, возрастают требования к качеству результатов проектирования, все чаще возникает необходимость вариантного проектирования.

4. Наблюдается быстрая сменяемость версий пакетов САПР, определяемая требованиями к объектам проектирования.

5. Повысились требования к уровню подготовки кадров. Современный инженер не только обязан быть компетентным в области проектирования, но и должен владеть компьютерными технологиями, быть знакомым с передовыми разработками в области автоматизированного проектирования. Компьютер стал главным инструментом поддержки проектной деятельности.

6. Возросла нагрузка на каждого инженера. Возросшие требования к квалификации, необходимость быстрого обучения новым версиям пакетов САПР, требование многопрофильности, которое предъявляют современные предприятия,- все это является дополнительной нагрузкой для современного инженера.

В сложившихся условиях остро встает проблема обучения инженеров специализированной проектной деятельности при использовании пакетов САПР.

Под специализированной проектной деятельностью (СПД) понимается проектная деятельность, которая выполняется при помощи пакетов САПР, реализует задачи конкретной области проектирования и учитывает особенности объектов проектирования.

Современные широко распространенные пакеты САПР имеют в своем составе компьютерные средства обучения (КСО), которые позволяют изучить возможности пакетов и принципы работы с ними. Кроме того, существует множество коммерчески распространяемых КСО для пакетов САПР.

Анализ известных встроенных КСО для пакетов САПР, позволяет выделить ряд их общих недостатков: 1) не учитывают, в силу своей универсальной технической реализации, особенности обучения СПД, 2) в большинстве случаев, не позволяют расширять и добавлять новый обучающий материал, 3) обладают слабыми средствами контроля за обучением СПД.

Проведенный анализ средств разработки КСО СПД позволяет сделать вывод, что КСО СПД создаются преимущественно при помощи инструментальных сред- авторских систем (АС). Свойственная большинству АС универсальность не позволяет учесть в них % особенности обучения СПД.

Модели, используемые в качестве основы представления учебных курсов (УК) в АС (на семантических сетях, графовые, фреймовые, гипертекстовые модели), также не отражают особенности обучения СПД.

Анализ моделей УК позволяет выделить графовые модели, как наиболее оптимальные для представления УК СПД. Это обусловлено их наглядностью, удобством определения отношений и связей между элементами УК, простотой преобразования структуры УК и масштабируемостью, возможностью создания структур УК различной сложности.

Таким образом, в настоящее время, актуальной и имеющей большое практическое значение задачей является разработка и применение компьютерных средств обучения специализированной проектной деятельности (КСО СПД). обеспечивающих эффективность, качество и сокращение сроков обучения инженеров.

Целыо работы является исследование и разработка компьютерных методов и средств обучения инженеров СПД в САПР, которые позволили бы повысить эффективность обучения путем введения контроля над рядом его характеристик и путем сокращения времени разработки учебных курсов.

В соответствии с поставленной целью в работе формулируются и решаются следующие задачи исследований: 1. Разработка графового подхода для поддержки и анализа обучения СПД.

2. Разработка графовой модели учебного курса (УК).

3. Разработка алгебры и операций преобразования моделей УК.

4. Разработка архитектуры и компонентов КСО СПД.

Объектом исследования является обучение проектированию на основе пакетов

САПР.

Предметом исследования являются методы и средства компьютерного обучения инженеров СПД в САПР.

Методы исследования основаны на использовании положений и методов теории алгоритмов [24], теории множеств [28], теории алгоритмических алгебр [21, 22, 23], теории графов [29, 30, 31], теории параллельного программирования [25, 26] и параллельных сетевых схем алгоритмов (ПССА) [27], а также использовании основ системотехники [1] и теории автоматизированного проектирования [2].

Научная новизна определяется разработанным графо-алгебраическим подходом к обучению СПД в САПР. Предложенный подход позволяет повысить эффективность обучения СПД за счет:

1) учета структуры специализированной проектной деятельности в обучении, что позволяет контролировать ряд характеристик обучения СПД;

2) введения контроля за рядом характеристик обучения СПД, как на этапе разработки УК (полнота представления элементов СПД в УК, акценты в УК на элементы СПД), так и на этапе его применения (полнота изучения элементов СПД обучаемым, результаты изучения элементов СПД обучаемым);

3) сокращения времени разработки УК путем применения простой и удобной графовой модели УК СПД;

4) выполнения синтеза, преобразования и масштабирования УК СПД при помощи разработанной алгебры моделей учебных курсов;

5) применения методики разработки УК СПД, которая также способствует сокращению времени разработки УК.

-11В результате проведенных исследований получены следующие научные результаты:

1. Разработан графовый подход к обучению СПД. Подход обеспечивает формирование структуры и содержания обучения СПД. Положительный эффект от применения данного подхода выражен в повышении эффективности обучения СПД за счет: 1) учета структуры СПД в обучении, что позволяет контролировать ряд характеристик обучения СПД, 2) совершенствования процедуры анализа обучения СПД путем его оценки по следующим критериям: а) полнота представления СПД в УК, б) акценты в УК на элементы СПД, в) полнота изучения элементов СПД обучаемым инженером, г) результаты изучения отдельных элементов СПД обучаемым инженером.

2. Разработана графовая модель УК СПД. Модель обеспечивает формирование структуры УК СПД и его содержания. Положительным эффектом от применения графовой модели УК СПД является повышение эффективности обучения СПД за счет сокращения сроков разработки УК СПД. Сокращение сроков разработки УК СПД обеспечивается применением удобной, компактной визуальной модели. Модель УК СПД является масштабируемой в широких пределах, т.к. позволяет организовать обучение: 1) по одному из этапов СПД, 2) по нескольким этапам СПД, 3) по всей СПД предприятия. Модель УК СПД может быть адаптирована, как для хорошо подготовленных инженеров, так и для инженеров с небольшим практическим опытом.

3. Предложена алгебра моделей УК (АМУК). Алгебра обеспечивает синтез и преобразование структуры УК СПД. Положительным эффектом применения АМУК является возможность перехода от алгебраического выражения (АВ) к графовой форме УК СПД.

4. Предложена методика разработки УК СПД. Методика описывает оптимальную последовательность и содержание этапов проектирования УК для обучения инженеров СПД в САПР. Положительный эффект применения методики заключается в ускорении (по сравнению с известными методами) разработки УК СПД за счет формализации шагов методики проектирования УК.

Практическая ценность.

Практическими результатами диссертационной работы являются:

1. Разработана архитектура и компоненты КСО СПД, обеспечивающие поддержку обучения СПД через реализацию графо-алгебраического подхода к обучению.

Архитектура КСО СПД включает 14 модулей, среди которых: модуль ввода и редактирования блоков учебного материала, модуль ввода и редактирования графа изучения СПД, модуль трансляции и модуль интерпретации графа изучения СПД, модуль ввода и редактирования графа структуры СПД, модуль анализа результатов обучения, модуль ввода тестов, модуль генерации аналитических графов и др. Компоненты КСО СПД позволяют: а) задавать структуру и наполнять обучающим материалом УК СПД путем конструирования и визуализации графа Изучения СПД (ИСПД-графа); б) конструировать граф Структуры СПД (ССПД-граф); в) генерировать и визуализировать аналитические графы, входящие в систему графов поддержки и анализа обучения СПД; г) сохранять графовую модель УК в разработанном формате на основе технологии XML.

2. Разработана подсистема оценки знаний УСАТИК 2.000, в которой используются методы классической теории тестирования для разработки научно обоснованных тестов оценки знаний. Подсистема оценки знаний может применяться как независимый инструментарий для организации и проведения входного, текущего, итогового компьютерного тестирования результатов обучения СПД с функциями оценки качества используемых тестов. На УСАТИК 2.000 получено СВИДЕТЕЛЬСТВО (РОСПАТЕНТ) об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2001611642. Коммерческие продажи по всей России и странам ближнего зарубежья подтверждают его практическую ценность.

3. Разработан формат представления графовой модели УК СПД и структуры СПД на основе технологии XML. Формат, который является открытым для дальнейшего расширения, реализует хранение информации: о структуре СПД и ее представлении на экране монитора; о структуре учебного курса для обучения СПД; о представлении учебного курса в виде ИСПД-графа на экране монитора; о содержимом учебного курса СПД в виде модулей проектных операций (МПО) и их компонентов.

Реализация и внедрение результатов работы.

Разработанные программные средства внедрены в производственный процесс ФГУП «НПО «Марс» (г. Ульяновск), а также в учебный процесс: 1) Ульяновского государственного технического университета (г. Ульяновск), 2) Донского государственного межрегионального колледжа строительства, экономики и предпринимательства (г. Новочеркасск), 3) Челябинского монтажного колледжа (г.Челябинск), 4) Государственного предприятии «Регитра» (Литва, г. Вильнюс). На подсистему оценки знаний УСАТИК 2.000 получено СВИДЕТЕЛЬСТВО (РОСПАТЕНТ) об официальной регистрации программы для ЭВМ№ 2001611642.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике» (КЛИН-2004) , г. Ульяновск, 2004 [46, 47]; IV Международной конференции «Компьютерное моделирование 2003», г. Санкт-Петербург, 2003 [39]; Международной конференции «Интерактивные системы: Проблемы человеко-компьютерного взаимодействия 2003», г. Ульяновск, 2003 [40, 41, 42]; Международной научной конференции «Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании», г. Пенза, 2003 [43, 44]; X Международной научно-технической конференции «Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании (МК-85-92)», г. Пенза, 2002 [35]; Международной научно-технической конференции "Интерактивные системы», г. Ульяновск, 2001 [33]; IX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и инфоматика-2002», г. Москва, 2002 [45]; IV Всероссийской научно-практической конференции «Современные информационные технологии в образовании», г. Рязань, 2002 [34]; VII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», г. Нижний Новгород, 2002 [36]; Ежегодных внутривузовских конференциях профессорско-преподавательского состава, г. Ульяновск, 2004, 2003,2002,2001 [37, 38].

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ. Получено СВИДЕТЕЛЬСТВО (РОСПАТЕНТ) об официальной регистрации программы для ЭВМ №2001611642.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, библиографического списка использованной литературы, изложенных на 206 страницах машинописного текста, а также восьми приложений, на 134 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок и 26 таблиц.

-1493.3. ВЫВОДЫ

Разработана алгебра моделей учебных курсов, которая позволяет упростить синтез и анализ графов учебных курсов.

Приведено определение алгебры моделей учебных курсов. Рассмотрены ее компоненты:

1. Множество операторов алгебры CU(V), каждый элемент которого ассоциирован с вершиной ИСПД-графа.

2. Множество операций над множеством CU(V), которое состоит из семи элементов: 1) операция «последовательное изучение», 2) операция «а-дизъюнкция», 3) операция «независимое изучение», 4) операция «а-цикл», 5) операция «case-дизъюнкция», 6) «УДВ-операция», 7) операция «возврат».

Определены тождественные соотношения в алгебре моделей учебных курсов, рассмотрен пример «выноса за скобки» общих операторов алгебраического выражения, приведено описание синтаксиса алгебры моделей учебных курсов в БНФ-граматике. Рассмотрено представление типовых последовательностей изучения проектных операций (ТППО) в алгебре моделей учебных курсов, приведен пример записи ИСПД-графа в алгебре моделей учебных курсов.

Введены четыре операции преобразования алгебраических выражений, записанных в алгебре моделей учебных курсов:

1. Операция преобразования «Вставка»- INS.

2. Операция преобразования «Удаление»- DEL.

3. Операция преобразования «Замещение»- RPL.

4. Операция преобразования «Наложение»- LAY.

Было рассмотрено применение введенных операций преобразования к базовым операциям алгебры моделей учебных курсов. Отмечено, что при помощи операций преобразования возможно выполнять преобразования алгебраических выражений одних ТППО в алгебраические выражения других ТППО.

- 150

ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА КСО СПД

4.1. МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ УЧЕБНЫХ КУРСОВ В КСО СПД

Разработку УК для обучения СПД предлагается вести при помощи разработанной автором методики.

Предлагаемая методика формализует этапы необходимые для создания УК, и отражает теорию, изложенную в главах 2 и 3 данной работы.

Описание методики структурировано по параграфам, названия которых отражают этапы создания УК. Параграфы расположены в той последовательности, в которой рекомендуется выполнение этапов создания УК.

4.1.1. КОНСТРУИРОВАНИЕ ССПД-ГРАФА

Конструирование ССПД-графа- первый этап разработки УК.

Информация о структуре СПД предприятия, на котором будет использоваться разрабатываемый УК, собирается в ходе опроса эксперта. Данный эксперт, обычно отбираемый из работников предприятия, должен хорошо знать структуру существующей СПД.

На основании ответов эксперта происходит последовательное создание (ввод) вершин ССПД-графа. Общее количество задаваемых эксперту вопросов зависит от структуры СПД предприятия (подробнее о структуре СПД, см. главу 1, п. 1.1.2).

Приведем описание вопросов, которые используются в ходе опроса эксперта. Описание каждого вопроса состоит из трех обязательных секций: «Вопрос», «Назначение» и «Переменные». В секции «Переменные» указываются инициализируемые в результате ответа на вопрос переменные и их тип. При необходимости, после определения переменной, приводится комментарий о ее назначении.

В тексте некоторых вопросов есть ссылки на переменные, которые инициализируются в результате ответов на другие вопросы. Все ссылки на переменные начинаются с символа #. Часть переменных имеют сложный тип и являются списками определенной структуры. В этом случае, структура элемента списка описывается в дополнительной секции «Структура переменных», а ссылка на элемент списка начинается с директивы #Element, за которой следует имя переменной со списком.

В КСО СЦЦ предусмотрены следующие вопросы для конструирования ССПДграфа.

Вопрос 1. Кратко охарактеризуйте (назовите) специализированную проектную деятельность, которая ведется на Вашем предприятии.

Назначение. Выяснить название вершины нулевого уровня ССПД-графа.

Переменные.

PAname: Строка(255);

Вопрос 2. Какой конечный результат специализированной проектной деятельности (#РАпаше) имеется по завершении каждого из проектов?

Назначение. Выяснить, какой конечный результат получается в результате завершения проекта. Это необходимо для корректной формулировки Вопроса 4.

Переменные.

PAresultname: Строка(255'); // переменная может принимать значение из заранее заданного списка результатов СПД. В случае отсутствия в списке требуемого значения, оно заносится в данный список, а затем выбирается для переменной в качестве ее значения.

Вопрос 3. Какие системы автоматизированного проектирования используются для ведения специализированной проектной деятельности на Вашем предприятии?

Назначение. Определить список САПР, используемых в СПД предприятия. Список САПР применяется при указании средств автоматизации для этапов проектирования, проектных процедур и операций. Переменные.

CADlist: список типа CADlst, Структура переменных. CADlst: Record CADname: Строка(255), // название САПР CADversion: Строка(50), // версия САПР

Nextel: Pointer CADlst, / / указатель на след. элемент списка end;

Приведем пример списка названий САПР из ста элементов (в алфавитном порядке): ADAMS, ADEM, Alias |Wavefront, Analyzer, ANSYS, АРМ WinMachine, ArchiTECH, AutoCAD, Autodesk Building Electrical, Autodesk Building Mechanical, Autodesk Inventor, Autodesk Map, Autodesk Mechanical Desktop, AutoSEA, autoECKfl, bCAD, BlueCAD, BRAVO, CAD STAR, CADdy, CADElectro, CADkey, CADMAX, CADMECH, CADRA, CADVANCE, CAMtastic, CATIA, Cimatron, CoCreate, DEFCAR, Design Workshop, DesignCAD Pro, DesignSpace, DYNAMIC DESIGNER, Easy Trace, EdgeCAM, ESPRIT, EUCLID, Flow-3D, Form-Z, Genius Desktop, GTXImage CAD, GTXRaster CAD, GTXRaster TRACE, HELIX, hyperMILL, I-DEAS Master Series, IronCAD, Lightscape, LS Flow, LS-DYNA, LVMFlow, MasterCAM, MicroStation, Microwave Office, MSC/InCheck, NASTRAN, Nexar, nVisage, Omega PLUS, OmniCAD, P-CAD, PEPS, Pit-Control, Pit-Electrical Engineering, Planit, Power Solutions, Pro/ENGINEER, Pro/MECHANICA, Protel, QuickCAD, RadioRay, REBIS, Rhinoceros, Schematic, SoftCAD, SolidCAM, SolidEdge, SolidWorks, SPIWood, STAR-CD, SuperNEC, Surface Express, TEBIS, T-FLEX CAD, think3, UNICAM, Unigraphics, VISI -Series, Visual System Simulator, VUTRAX, VX VISION, WinELSO, Wireless Insite, WSCAD, АСОНИКА, КОМПАС, СПРУТ, ТИГРАС.

Вопрос 4. Какие этапы проектирования проходят #PAresultname ? Назначение. Определить перечень этапов проектирования, которые формируют первый уровень ССПД-графа. Переменные.

PAstages: список типа StagesLst, // список этапов проектирования PAstagescount: Целое число', 11 количество этапов проектирования, которые вводятся в результате ответа эксперта (размер списка PAstages)

Структура переменных. StagesLst: Record

Stage name: Строка(255)\ // название этапа проектирования

Procedures: Pointer ProceduresLst, // указ. на список проектных проц.

Next el. Pointer StagesLst, // указ. на след. элемент списка end;

Переменная Procedures структуры StagesLst инициализируется в Вопросе 5.

Вопрос 5. Охарактеризуйте состав этапа проектирования « #Element PA stages», путем ввода его проектных процедур и их характеристик (ввод проектных процедур можно осуществлять в произвольном порядке).

Назначение. Определить перечень проектных процедур, из которых состоит этап проектирования «МElement PA stages» введенный в Вопросе 4.

Для каждой проектной процедуры вводится ее название, указывается, имеется ли ее поддержка при помощи САПР, и если имеется, то указывается при помощи какой САПР (из списка Вопроса 3). Переменные.

PAprocedures: Список типа ProceduresLst; // список проектных процедур(всегда подчинен одному из элементов списка PAstages) PAprocscount: Целое число', // количество проектных процедур, которые вводятся в результате ответа эксперта (размер списка PAj?rocedures) Структура переменных. ProceduresLst: Record Procedurename: Строка(255'); II название проектной процедуры Automate: Boolean, // флаг автоматиз. проектной проц.

CADs: Pointer CAD lst; // указатель на список использ. САПР

Operations: Pointer OperationsLst; // указатель на список проек. опер-й Nextjel: Pointer ProceduresLst, // указатель на след. элемент списка end;

Переменная Operations структуры ProceduresLst инициализируется в Вопросе 6. Вопрос 6. Охарактеризуйте состав процедуры проектирования

Element PAjprocedures», путем ввода ее проектных операций и их характеристик (ввод проектных операций можно осуществлять в произвольном порядке.).

Назначение. Определить перечень проектных операций, из которых состоит проектная процедура «#Element PAprocedures» введенная в Вопросе 5. Для каждой проектной операции вводится ее название, указывается, имеется ли ее поддержка при помощи САПР, и если имеется, то указывается при помощи какой САПР. Причем список доступных для выбора САПР ограничен списком, введенным в Вопросе 5.

Переменные.

PAoperations: Список типа OperationsLst; // список проектных операций(всегда подчинен одному из элементов списка PAprocedures)

PAoperscount Целое число; // количество проектных операций, которые вводятся в результате ответа эксперта (размер списка PAoperations) Структура переменных. OperationsLst: Record Operatonname: Строка(255); // название проектной операции Automate:Boolean; // флаг автоматиз. проектной опер.

CADs: Pointer CADI st; // указатель на список использ. САПР

Nextel: Pointer OperatonsLst; // указатель на след. элемент списка end;

- 193-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований были решены все поставленные исследовательские задачи и получены следующие научные результаты:

1. Разработан графовый подход к обучению СПД. Подход обеспечивает формирование структуры и содержания обучения СПД. Положительный эффект от применения данного подхода выражен в повышении эффективности обучения СПД за счет: 1) учета структуры СПД в обучении, что позволяет контролировать ряд характеристик обучения СПД; 2) совершенствования процедуры анализа обучения СПД путем его оценки по следующим критериям: а) полнота представления СПД в УК, б) акценты в УК на элементы СПД, в) полнота изучения элементов СПД обучаемым инженером, г) результаты изучения отдельных элементов СПД обучаемым инженером.

В рамках подхода разработана система, состоящая из пяти графов: а) ССПД-граф, предназначенный для представления структуры СПД, б) ПСПД-граф, предназначенный для анализа покрытия учебным материалом СПД, в) АМПО-граф, предназначенный для анализа акцентов на модули проектных операций учебного курса, г) ПОСД-граф, предназначенный для отображения и анализа хода (прогресса) обучения СПД, д) РОСД-граф, предназначенный для оценки результатов обучения СПД.

2. Разработана графовая модель УК СПД. Модель обеспечивает формирование структуры УК СПД и его содержания. Положительным эффектом от применения графовой модели УК СПД является повышение эффективности обучения СПД за счет сокращения сроков разработки УК СПД. Сокращение сроков разработки УК СПД обеспечивается применением удобной, компактной визуальной модели. Модель УК СПД является масштабируемой в широких пределах, т.к. позволяет организовать обучение: 1) по одному из этапов СПД, 2) по нескольким этапам СПД, 3) по всей СПД предприятия. Модель УК СПД может быть адаптирована, как для хорошо подготовленных инженеров, так и для инженеров с небольшим практическим опытом.

Модель включает: а) Множество типовых последовательностей проектных операций (ТППО) для построения графа изучения СПД (ИСПД-графа), б) граф изучения СПД (ИСПД-граф) с учебным материалом, содержащимся в модулях проектных операций (МПО), в) правила перемещения обучаемого по ИСПД-графу.

3. Предложена алгебра моделей УК (АМУК). Алгебра обеспечивает синтез и преобразование структуры УК СПД. Положительным эффектом применения АМУК является возможность перехода от алгебраического выражения (АВ) к графовой форме УК СПД.

Алгебра включает семь операций, которые позволяют представить структуру любого ИСПД-графа в данной алгебре. Разработаны четыре операции преобразования («вставка», «удаление», «замещение», «наложение»), которые позволяют выполнять преобразования алгебраических выражений, а, следовательно, модифицировать структуру ИСПД-графа записанного в алгебре моделей УК.

4. Предложена методика разработки УК СПД. Методика описывает оптимальную последовательность и содержание этапов проектирования УК для обучения инженеров СПД в САПР. Положительный эффект применения методики заключается в ускорении (по сравнению с известными методами) разработки УК СПД за счет формализации шагов методики проектирования УК.

Методика включает следующие основные этапы разработки учебных курсов: а) конструирование ССПД-графа, б) отбор, классификация и группировка учебного материала, в) разработка тестов для оценки знаний, создание контрольных ИМУК, г) определение требований к контрольным ИМУК, д) конструирование ИСПД-графа.

Получены следующие практические результаты:

1. Разработана архитектура и компоненты КСО СПД, обеспечивающие поддержку обучения СПД через реализацию графо-алгебраического подхода к обучению. Архитектура КСО СПД включает 14 модулей, среди которых: модуль ввода и редактирования блоков учебного материала, модуль ввода и редактирования графа изучения СПД, модуль трансляции и модуль интерпретации графа изучения СПД, модуль ввода и редактирования графа структуры СПД, модуль анализа результатов обучения, модуль ввода тестов, модуль генерации аналитических графов и др. Компоненты КСО СПД позволяют: а) задавать структуру и наполнять обучающим материалом УК СПД путем конструирования и визуализации ИСПДграфа, б) анализировать алгебраическое представление ИСПД-графа, в) конструировать граф структуры СПД (ССПД-граф), генерировать и визуализировать аналитические графы, входящие в систему графов поддержки и анализа обучения СПД, г) сохранять графовую модель УК в разработанном формате на основе технологии XML.

2. Разработана подсистема оценки знаний УСАТИК 2.000, в которой используются методы классической теории тестирования для разработки научно обоснованных тестов оценки знаний. Подсистема оценки знаний может применяться как независимый инструментарий для организации и проведения входного, текущего, итогового компьютерного тестирования результатов обучения СПД с функциями оценки качества используемых тестов. На УСАТИК 2.000 получено СВИДЕТЕЛЬСТВО (РОСПАТЕНТ) об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2001611642. Коммерческий продажи по всей России и странам ближнего зарубежья подтверждают его практическую ценность.

Данная подсистема внедрена в производственный процесс ФГУП «НПО «Марс», г. Ульяновск, а также в учебный процесс: 1) Ульяновского государственного технического университета (г. Ульяновск), 2) Донского государственного межрегионального колледжа строительства, экономики и предпринимательства (г.Новочеркасск), 3) Челябинского монтажного колледжа (г. Челябинск), 4) Государственного предприятии «Регитра» (Литва, г. Вильнюс).

3. Разработан формат представления графовой модели УК СПД и структуры СПД на основе технологии XML. Формат, который является открытым для дальнейшего расширения, реализует хранение информации: 1) о структуре СПД и ее представлении на экране монитора; 2) о структуре УК СПД и его представлении в виде ИСПД-графа на экране монитора; 4) о содержимом учебного курса СПД в виде МПО и их компонентов.

-196

1. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 336 с.

2. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР. М.: Высшая школа, 1990. - 335 с.

3. Потемкин A.B. Внедрение САПР: начинаем с обучения персонала. //САПР и графика. 1998. - №3. - С. 12-22.

4. Опыт внедрения систем КОМПАС: Обучение САПР- как это делается. Электронный ресурс.: статья. Корпоративный сайт АО АСКОН- Режим доступа: http://www.ascon.ru/article/train.htm, свободный. - Яз. рус.

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

6. David Byrnes. Five CBTs help you learn CAD on your computer. Электронный ресурс.: статья в науч. журн. о САПР. Электрон, журн. CAD Systems, 2002. CLBMedia Inc.- Режим доступа: http://www.cadsystems.com/software/0006ro4.html, свободный. - Яз. англ.

7. SofTutor for AutoCAD: The fastest way to learn! Электронный ресурс.: статья. -Корпоративный сайт New Vision Software Режим доступа: http://www.nvsi.com/, свободный. - Яз. англ.

8. А.А.Беляев, Е.Г.Коротеева. Применение гипертекстовых технологий в обучении. Электронный ресурс.: Тез. докл. всероссийской научно-мет. конф. «Телематика-2003», 2003. Режим доступа: http://www.machaon.ru/distant/belkor.html, свободный. - Яз. рус.

9. Н.В. Макарова, Юлдашев Т.А. Интеллектуальные системы: Модели представления знаний. Электронный ресурс.:, курс лекций. — Режим доступа: Ьйр://зупорз15.киЬ8и.ш/тГопт1а^с/та51ег/1ес1иге/1Ьегпе5814Ь1тп5 свободный. Яз. рус.

10. Качур Д. Методики искусственного интеллекта. Электронный ресурс.: статья. — Сайт «Искусственный Интеллект от РгоГа». Режим доступа. http://prof9.narod.ru/library/lib010/doc016/doc016.html, свободный. - Яз. рус.

11. Глушков В.М., Цейтлин Г.Е., Ющенко Е.Л. Алгебра. Языки программирования. -Киев: Наукова думка, 1978. 318 с.

12. Глушков В.М., Капитонова Ю.В., Летичевский A.A. Автоматизация проектирования вычислительных машин. Киев: Наукова думка, 1975. - 231 с.

13. Глушков В.М. Теория автоматов и формальные преобразования программ. // Кибернетика. 1965. - №5.

14. Алферова З.В. Теория алгоритмов. М.: Статистика, 1973. - 164 с.

15. Анишев П.А., Ачасова С.М., Бандман О.Л. и др. Методы параллельного микропрограммирования. Новосибирск: Наука, 1981.-184 с.

16. Котов В.Е. Параллельное программирование с типами управления. // Кибернетика. -1979. -№3.

17. Афанасьев А.Н., Гужавин A.A., Кокаев О.Г. Ассоциативное микропрограммирование Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1991. - 116 с.

18. Бурбаки Н. Теория множеств. М.: Мир, 1965 - 450 с.

19. Носов В.А. Комбинаторика и теория графов. -М.: МГИЭМ, 1999 112 с.

20. Харари Ф. Теория графов М.: Мир, 1973- 153 с.

21. Уилсон Р. Введение в теорию графов. М.: Наука, 1977. 96 с.

22. Котов В.Е. Алгебра регулярных сетей. // Кибернетика. -1980 №5, С. 10-18.

23. Максимов A.B. Организация встроенного обучения в САПР. // Информационные технологии в науке, проектировании и производстве: Материалы УП Всероссийской научно-технической конференции Н. Новгород, 2002. - С.50-52.

24. Максимов A.B. Разработка систем обучения для САПР. // Ежегодная внутривузовская конференция профессорско-преподавательского состава: Доклад-Ульяновск: УлГТУ, 2003.

25. Максимов A.B. Разработка систем оценки качеств знаний на основе тестового подхода. // Ежегодная внутривузовская конференция профессорско-преподавательского состава: Доклад:-Ульяновск: УлГТУ, 2003.

26. Афанасьев А.Н., Максимов A.B. Разработка моделей построения учебных комплексов для САПР. // Компьютерное моделирование 2003: Труды IV Международной НТК,- С.Петербург, 2003. С.385-387.

27. Максимов A.B. Разработка моделей интеллектуально-тестового обучения САПР. // Interactive Systems: The Problems of Human-Computer Interaction 2003: Proceedings of the International Conference -Ulyanovsk: U1STU, 2003. P.l 19-121.

28. Афанасьев A.H., Максимов A.B. Проектирование интеллектуальной обучающей системы для САПР. // Interactive Systems: The Problems of Human-Computer Interaction 2003: Proceedings of the International Conference Ulyanovsk: U1STU, 2003. -P. 124-125.

29. Максимов A.B. Разработка методов и средств интеллектуально-тестового обучения в САПР. // Микроэлектроника и инфоматика-2002: Тезисы докладов Всероссийской межвузовской НТК студентов и аспирантов Москва: МИЭТ, 2002.

30. Афанасьев А.Н., Максимов A.B. Разработка графо-алгебраических методов и средств обучения проектной деятельности в САПР. // Вестник УлГТУ. Ульяновск, 2004,-№2.

31. Техническое творчество: теория, методология, практика. Энциклопедический словарь-справочник // Под ред. А.И. Половинкина, В.В. Попова. М.: НПО «Информ-система», 1995.-408 с.

32. Ильин В.В. Теория познания. Введение. Общие проблемы. М.: МГУ, 1993. - 233 с.

33. Талызина Н.Ф. Управление процессом усвоения знаний. М.: МГУ, 1984. 134 с.

34. Теория и практика систем интенсивного обучения. Кн. 1-4 под. Ред. A.A. Золотарева. -М. МГТУГА, 1994 г.

35. Барболин М П. Методологические основы развивающего обучения. М.: Высшая школа, 1991. - 232 с.

36. Ланда Л.Н. Алгоритмизация в обучении. — М.: Просвещение, 1966. 125 с.

37. Башмаков А.И., Владимиров А.И., Грачев В.А. и др. Технологии и средства развития творческих способностей специалистов. М.: ЭДЬСД, 2002. - 221 с.

38. Андрейчиков A.B., Андрейчикова О.Н. Компьютерная поддержка изобретательства (методы, системы, примеры применения). -М.: Машиностроение, 1988. -476 с.

39. Скуратович Э.К., Соколов А.Г. и др. Учебно-исследовательские САПР в высшей школе.-М., 1991.-40 с.

40. Норенков Ю.И. Исследование и разработка принципов построения адаптивных обучающих систем. -М., 1993. 148 с.59.