Разработка модели и программного обеспечения информационно-образовательной среды для организации дистанционного обучения с использованием сети Интернет

Карасик, Александр Аркадьевич

Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Разработка модели и программного обеспечения информационно-образовательной среды для организации дистанционного обучения с использованием сети Интернет

кандидата технических наук: Карасик, Александр Аркадьевич
город: Екатеринбург
год: 2004
специальность ВАК РФ: 05.13.18
цена: 450 рублей

Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Разработка модели и программного обеспечения информационно-образовательной среды для организации дистанционного обучения с использованием сети Интернет»

Автореферат диссертации по теме "Разработка модели и программного обеспечения информационно-образовательной среды для организации дистанционного обучения с использованием сети Интернет"

На правах рукописи

КАРАСИК Александр Аркадьевич

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЕТИ ИНТЕРНЕТ

Специальность: 05.13.18 - «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2004

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Бурнев В.Б.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Доросинский Л.Г.

кандидат физико-математических наук, профессор Рогович В.И.

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Уральский государственный

университет им. A.M. Горького»

Защита диссертации состоится « 25 » июня 2004 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета К 212.285.02 при ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ» (620002, г. Екатеринбург, К-2,ул.Мира19)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ»

Автореферат разослан « 21 » мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Морозова В.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. На протяжении ряда лет во всех передовых странах мира наблюдается тенденция стремительного развития образовательных технологий, вызванная интенсивным внедрением компьютерных телекоммуникационных сетей, современных мультимедийных средств и средств автоматизации.

С технологической точки зрения, дистанционное обучение представляет собой закономерное развитие методов использования новых информационных технологий в системе образования. Использование таких средств не является самоцелью, а лишь средством интенсификации учебного процесса. Попытки достичь этой цели предпринимаются уже, по крайней мере, на протяжении последних 35 лет - с момента появления в вузах первых образцов вычислительной техники. Однако, только сейчас, когда компьютеры действительно стали приобретать качества, позволяющие называть их интегральными устройствами обработки информации и телекоммуникации, появилась возможность реально почувствовать результаты достижения заветной цели. Дело в том, что современная технологическая база позволяет превратить совокупные знания, которыми располагают вузы, в виртуальный ресурс, доступный учащемуся в любое время, в любом месте и в любом контексте, определяемом самим учащимся.

Возникновение всемирной компьютерной сети открыло возможность использования информационных ресурсов и интеллектуального потенциала практически любого учебного заведения мира. Использовать открывшиеся возможности - это, наверно, самая актуальная задача всей системы образования.

В силу ряда причин отечественные системы сетевого дистанционного обучения делают только первые шаги. В других же странах наблюдается бурный рост числа учебных заведений, использующих технологии дистанционного или виртуального обучения.

В настоящее время существует достаточно большое число программных продуктов, предназначенных для осуществления информационного обеспечения процесса дистанционного обучения. Однако прямое их использование в условиях большинства российских вузов зачастую затруднено.

Анализ представленных на рынке информационно-обучающих систем показывает их преимущественную ориентацию на использование on-line режима взаимодействия с учебным центром, который может быть эффективно реализован только в условиях качественных каналов связи. В России это условие выполняется еще далеко не во всех даже центральных районах, не говоря уже о периферии. Поэтому данный факт время оставаться решающим в выборе обуча<

чым доддЯф^и^оя^ {ебнои

C.ritTepCypr _ОЭ

платформы для получения образования с использованием дистанционных технологий.

Другим важным фактором, сказывающимся на сложности непосредственного использования предлагаемого программного обеспечения, является необходимость адаптации функциональных возможностей приобретаемого продукта, в первую очередь в части организации-учебного процесса и управления документооборотом, к требованиям реального учебного заведения, что зачастую затруднено.

Учитывая выше изложенное, разработка информационно-образовательной среды, учитывающей требования современных российских вузов по организации процесса обучения, а также особенности состояния сетевых коммуникаций в регионах России, представляется чрезвычайно актуальным в современных условиях.

Цель, и задачи исследования. Целью работы является разработка комплексной информационно-образовательной среды для реализации дистанционной технологии обучения в условиях реального технического вуза. Данная цель предполагает решение следующих задач:

• Анализ существующих программных продуктов, выполняющих функции информационно-образовательных сред.

• Оценка требований к структуре информационно-образовательной среды и функциональным возможностям отдельных ее компонентов.

• Построение информационной модели информационно-образовательной среды, и разработка на ее основе структуры данных и технологии доступа пользователей из корпоративной сети учебного центра и через Интернет к этим данным.

• Комплексный анализ структуры хранения учебно-методических материалов в качестве ресурса информационно-образовательной среды и построение математической и информационной модели учебного курса.

• Реализация эффективных механизмов информационного сетевого взаимодействия Интернет-компонентов системы.

• Разработка программных средств автоматизированных рабочих мест для выполнения стандартных процедур администрирования и организационных функций персоналом учебного заведения, а также программного обеспечения Интернет-модулей для реализации индивидуального рабочего пространства преподавателей и студентов учебного заведения в сети Интернет.

Методы исследования. Проведенные в работе исследования базируются на использовании теории математического моделирования, аппарата баз данных, а также методов модульного и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Проведен анализ и систематизация существующих программных продуктов, выполняющих функции информационно-образовательных сред.

• Предложен распределенный механизм сетевого информационного взаимодействия клиента и сервера Интернет-ориентированной информационной системы, повышающий ее эффективность.

• Разработаны пакеты математических и имитационных моделей процесса информационного взаимодействия Web-сервера системы с клиентским компьютером в классическом и распределенном режимах функционирования, учитывающие свойства системы и структуру входного потока запросов.

• Разработаны пакеты информационных и математических моделей информационных и административно-организационных компонентов информационно-образовательной среды.

Практическая ценность работы. Разработанные программные

средства могут быть использованы для организации учебного процесса на контрактной или бюджетной основе в любых высших учебных заведениях по программам высшего и послевузовского образования, на курсах профессиональной переподготовки и повышения квалификации с использованием традиционных или дистанционных технологий обучения.

Предложенный распределенный механизм информационного взаимодействия может быть использован при создании любых информационных Интернет-ориентированных клиент-серверных систем, функционирующих в условиях некачественных каналов связи на серверном оборудовании низкой производительности.

В настоящее время разработанная информационно-образовательная среда проходит опытную эксплуатацию в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный технический университет - УПИ» (г. Екатеринбург), Федеральном государственном учреждении «Уральский центр стандартизации, метрологии и сертификации» (г. Екатеринбург) и Государственном образовательном учреждении «Уральский колледж метрологии и качества» (г. Среднеуральск).

Для осуществления учебного процесса по дистанционной технологии обучения, с использованием инструментальных средств среды создан ряд учебных курсов по некоторым дисциплинам естественнонаучного, общегуманитарного, социально-экономического и специального циклов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы неоднократно докладывались на международных и всероссийских конференциях и семинарах, в том числе:

• на I международной конференции «Металлургия и образование» (Екатеринбург, 2000 г.)

• на VIII международной конференции «Открытое образование в России XXI века» (Москва, 2000 г.)

• на III международной научно-методической конференции «Качество образования. Концепции, проблемы» (Новосибирск, 2000 г.)

• на VI международной научно-методической конференции вузов и факультетов телекоммуникаций (Йошкар-ола, 2000 г.)

• на VII международной конференции «Современные технологии обучения СТО-2001» (Санкт-Петербург, 2001 г.)

• на научно-практическом семинаре «Учебно-методическое обеспечение открытого инженерного образования» (Пенза, 2001 г.)

• на международной научно-методической конференции «Телематика-2001» (Сант-Петербург, 2001 г.)

• на всероссийской научно-методической конференции «Новые образовательные технологии в ВУЗе» (Екатеринбург, 2001 г.)

• на 2-й всероссийской конференции «Электронные учебники и электронные-библиотеки в открытом образовании» (Москва, 2001 г.)

• на международной научно-практической конференции «Современные технологии образования — фундамент будущего» (Минск, 2002 г.)

• на всероссийской научно-методической конференции «Телематика-2002» (Санкт-Петербург, 2002 г.)

• на 3-й всероссийской конференции «Электронные учебники и электронные библиотеки» (Москва, 2002 г.)

• на международной научно-практической конференции «Развитие современных форм экономического образования» (Екатеринбург, 2002 г.)

• на V всероссийской объединенной конференции «Технологии информационного общества - Интернет и современное общество» (Санкт-Петербург, 2002 г.)

• на X всероссийской научно-методической конференции «Телематика-2003» (Санкт-Петербург, 2003 г.)

• на всероссийской выставке-форуме «Инфоком-2003. Инфокоммуникации России - XXI век» (Екатеринбург, 2003 г.)

• на международной научно-практической конференции «Связь-пром 2004» (Екатеринбург, 2004)

Публикации. Основные результаты диссертации представлены в семнадцати опубликованных работах. Список приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации - 178 страниц, из них 160 страниц основного текста. Список литературы - 90 названий, 51 рисунок, 12 таблиц.

- Содержание работы

Во введении приводится обоснование актуальности темы, формулируются цели работы и кратко излагается содержание диссертации.

В первой главе анализируется проблема организации учебного процесса с использованием информационных технологий. Приводится обзор и классификация применения компьютерных методов и средств в учебном процессе. Дается определение и описываются свойства дистанционной технологии обучения. Формулируются понятия, функции и типовая структура информационно-образовательной среды. Приводится обзор существующих зарубежных и отечественных программных разработок, выполняющих функции информационно-образовательных сред. На основе анализа разработок формулируются основные задачи диссертационного исследования.

Информационно-образовательная среда (ИОС) должна включать в СБОЙ состав подсистемы, предназначенные для обеспечения эффективной работы, как отдельных участников учебного процесса, так и их совместной деятельности. Основными компонентами интегрированной ИОС являются:

• учебно-методические ресурсы;

• средства администрирования (пользователей, учебного процесса, учебно-методического наполнения);

• средства автоматизации документооборота.

В свою очередь, учебно-методические ресурсы являются непосредственным информационным наполнением системы и подразделяются на следующие виды:

• информационные ресурсы;

• средства контроля знаний (тестирования);

• средства телекоммуникаций.

К средствам администрирования ИОС относятся следующие подсистемы:

• подсистема создания и ввода в базу данных информационных ресурсов; , • подсистема управления пользователями;

• подсистема хранения и управления доступом к учебной и методической информации;

• подсистема управления процессом обучения.

Средства автоматизации документооборота должны содержать набор компонентов, выполняющих следующие функции:

• документирование управленческой и учебно-методической деятельности (подготовку, оформление, согласование и изготовление документов);

• организацию документооборота (перемещение, поиск, хранение и использование документов, в том числе, и учебно-методических материалов);

• контроль исполнения документов службами и подразделениями учебного заведения;

• сбор, накопление и обработку различных статистических данных для

формирования отчетов;

• авторизацию прав доступа к данным.

Первые коммерческие ИОС начали появляться на рынке программного обеспечения начиная с конца 1995 года. В настоящее время на рынке программных продуктов учебного назначения представлен достаточно обширный перечень программных продуктов, реализующих функции ИОС. Наиболее известными из них являются: WebCT, разработанная Университетом Британской Колумбии. ToolBook II фирмы Asymetrix, Leraning Space фирмы LOTUS, Blackboard Courseinfo компании Blackboard, TopClass компании WBT Systems.

В России также активно ведутся работы по развитию Интернет образования. Наиболее известными в российских образовательных структурах является ИОС «Прометей», выпускаемой Негосударственным образовательным учреждением «Институт виртуальных технологий в образовании», «СТ Курс» компании Cognitive Technologies, программный пакет eLearning Office 3000 компании «ГиперМетод». Представляют интерес система «Аванта», разработанная во Владивостокском государственном университете экономики и сервиса, система дистанционного обучения в Интернет xDLS, сетевая оболочка ОРОКС, разработанная в Московском областном центре новых информационных технологий при МИЭТ..

В ходе анализа предлагаемых, на рынке коммерческих программных продуктов, выполняющих функции ИОС, выяснено, что ни один из них не удовлетворяет всем требованиям реального российского учебного заведения в области организации учебного процесса с использованием сетевых информационных технологий. Большей частью это объясняется отсутствием учета специфики Российского образования и, административной части образовательного процесса в особенности, а также наличием ряда трудностей и помех технического характера для внедрения технологий, основанных на компьютерных сетевых телекоммуникациях.

Во второй главе описываются математические и инфологические модели компонентов информационно-образовательной среды. Рассматриваются компоненты электронного учебного курса, административно-организационные Web-компоненты и компоненты подсистемы организации электронного документооборота. Дается функциональная структура электронного учебного курса. Предлагаются математические и инфологические модели компонентов «Теоретический конспект», «Форум» и «Коллекция тестов», а также математическая модель построения курса. Рассматриваются категории пользователей и административно-организационные функции информационно-образовательной среды. Предлагаются инфологические модели подсистем управления внешними пользователями, учебно-методическими ресурсами, учебными планами, учетом успеваемости, учебными курсами. Рассматриваются функции системы автоматизации документооборота и предлагаются инфологические модели соответствующих компонентов среды.

Электронный учебный курс является основной единицей представления учебного материала в системе.

Основными элементами модели курса являются компонент курса, представляющий собой информационный ресурс определенного типа, и этап курса, фактически являющийся ссылкой на один из информационных ресурсов. В модели введены следующие базовые типы компонентов курса, позволяющими организовать большинство типовых мероприятий по изучению некоторой дисциплины: «Теоретический конспект», «Коллекция тестов», «Форум» и «Прочий компонент».

Множество всех компонентов курса 0 назовем библиотекой компонентов: <2 — {<]11 / вЩ, где - компонент курса.

Упорядоченное множество всех этапов некоторого курса С назовем планом курса: С = {с] |_/ е Ы}, где с} - этап курса.

Отдельные- этапы курса могут быть объединены в группы по определенным признакам, например, по темам.

С = Со и причем Со п Се = 0, где Со — этапы, не участвующие в группировке; С - этапы, сгруппированные по темам.

С1= У'с"причем VI еМ, V} еМ,1 =>С,п^= 0,

где d - группа этапов курса; М- множество индексов групп.

Каждый компонент q может быть в соответствии со своим форматом разбит на несколько структурно _или логически выделенных фрагментов, называемых элементами компонента курса (см. табл. 1):

4 — \ i где и, — элемент компонента курса.

Назовем электронным учебным курсом упорядоченное множество пар этапов курса и элементов компонентов курса Б:

О = {<с„и/> | / еДу еЫ},

где с, - этап курса; - элемент компонента курса.

Каждая пара элементов будет соответствовать связи этапа курса с элементом одного и его компонентов.

Структура электронного учебного курса, созданная в соответствии с описанной математической моделью представлена на рисунке 1.

Предложенная структура имеет следующие особенности. Последовательность расположения этапов в плане курса определяет рекомендуемую последовательность использования информационных ресурсов в процессе изучения курса. С использованием. одного-и того же набора, компонентов, изменением последовательности включения ссылок на них, могут быть реализованы механизмы вариативности и адаптивности курсов. Чередование в курсе информационных ресурсов различного типа позволяет оптимальным образом сочетать различные виды деятельности обучаемого. Механизм объединения этапов курса в группы позволяет разбить план курса на ряд фрагментов, что позволяет сделать более наглядной его структуру, а также создает механизм формирования логических связей между элементами компонентов курса различных типов.

План курса Библиотека компонентов курса

Рис. 1. Структура электронного учебного курса

Процесс создания курсов выглядит следующим образом. Каждый компонент курса независимо создается своим автором и помещается в библиотеку, с указанием прав на его использование другими разработчиками курсов. Далее разработчик курса из числа доступных ему компонентов формирует план курса.

Для эффективного использования в составе описанного курса были разработаны модели и форматы компонентов трех описанных базовых типов.

Предложенная в работе модель административно-организационной подсистемы среды обеспечивает реализацию всех необходимых бизнес-процессов, регламентируемых организацией учебного процесса на уровне факультета учебного заведения.

Важным моментом, выгодно отличающим данную модель от существующих аналогов, является использование в качестве базового объекта модели организации учебного процесса стандартного учебного плана специальности, в отличие от некоторого малопонятного набора курсов, как это принято в других системах. Вместе с тем в модели наилучшим образом учтены возможности совмещения обучения по стандартным и индивидуальным, учебным планам. Это позволяет эффективно организовать учебный процесс как в соответствии с требованиями семестровых планов традиционного вуза, так и

с использованием модульного подхода открытой технологии обучения. Это стало возможным только благодаря тесной интеграции подсистем традиционного управления учебным процессом с системами, специфичными для сетевой образовательной среды.

В третьей главе описывается модель процесса информационного взаимодействия Web-сервера- информационно-образовательной среды с клиентским компьютером. Описывается классический механизм информационного взаимодействия и предлагается новый распределенный механизм взаимодействия. Ставится задача моделирования системы функционирующей в каждом из рассмотренных механизмов с целью выявления наиболее оптимального из них. Описывается методика, и приводятся результаты исследования свойств моделируемой системы. Предлагается модель входного потока запросов. Описывается созданная на основе полученных данных имитационная модель системы. Приводятся результаты исследования механизмов информационного взаимодействия, полученные с помощью созданной модели.

Классическим способом организации информационного обмена между клиентом и сервером является организация обмена, при котором клиент осуществляет только передачу запроса серверу и последующее отображение полученной готовой HTML-страницы.

С информационной точки, зрения в данном режиме по сети осуществляется передача как непосредственно, данных, так и программных модулей и интерфейсных элементов, отвечающих за внешнее оформление и функциональность страниц. Транспортный же алгоритм предусматривает передачу всего сформированного сервером блока данных за один этап.

К достоинствам данного механизма относятся невысокие требования к производительности клиентской рабочей станции- и реализация обработки запроса за один этап обращения к серверу. Недостатками такого подхода являются большие объемы данных, передаваемых по сети, и большая нагрузка на сервер, что определяет повышенные требования к его производительности.

В работе предложен альтернативный вариант организации информационного взаимодействия, названный распределенным. Основная идея организации взаимодействия по распределенной -схеме заключается в перераспределении обязанностей участников информационного обмена и изменении алгоритма самого обмена.

Так с информационной точки зрения выгодным является разделение данных, участвующих в обмене на информационные блоки и набор программных модулей и интерфейсных шаблонов оформления. При этом если обеспечить хранение таких модулей у клиента, то множество непосредственно передаваемых данных ограничить только информационными блоками.

Однако, на транспортном уровне рассмотрения распределенный механизм существенно усложняет алгоритм информационного обмена между клиентом и сервером. На рисунке 2 представлена временная диаграмма функционирования системы в распределенном режиме взаимодействия.

Клиент

Сервер

Передача запроса на сервер Передача ответа на запрос Загрузка страницы вбраузер Загрузка файлов библиотеки Инициализация объектов и построение интерфейса Передачазапроса на ~ сервер Обработка запроса, формирование ответа

Передача ответа

на запрос

Загрузка данных в браузер, ихобработка и отображение

Рис. 2. Временная диаграмма информационного взаимодействия клиента и сервера при распределенном механизме обмена данными

Достоинствами, распределенного механизма являются упрощение алгоритмов- обработки клиентских запросов сервером и уменьшение суммарного объема данных, передаваемых по сети. К недостаткам подхода относятся повышенные требования к производительности клиентской рабочей станции и увеличение количества отдельных актов информационного обмена между сервером и клиентом, приходящихся на один пользовательский запрос.

Учитывая противоречивость преимуществ и недостатков двух рассмотренных механизмов, для-выбора наиболее оптимального подхода в работе была поставлена задача детально исследовать каждый из них.

На рисунке 3 представлена структурная схема модели информационной клиент-серверной системы, функционирующей в распределенном режиме. В качестве моделируемого процесса выступает процесс обслуживания-запроса пользователя на получение информации одного из разделов информационной системы.

Рис. 3. Структурная схема модели информационного взаимодействия клиента и сервера при распределенном механизме обмена данными

Модель представляет собой систему массового обслуживания с ограниченным числом мест и ограниченным временем ожидания и отличается от системы с классическим механизмом взаимодействия наличием ряда циклических поэтапных обращений к серверу.

Зависимости основного выходного параметра модели - времени обслуживания пользовательского запроса, от исходных параметров представлена выражением (1):

Тзп-У. (У зп.'Всети^~№оъ'Т обргп.серА^"1*обрзясерв^У оте'Зсети^Т обрты)г (1)

где М— число этапов в текущем режиме взаимодействия; Т'„ерЗП - время передачи запроса по линии связи на ¡-ом этапе; Т'дчсерв - время ожидания в очереди на сервере на ¡-ом этапе; Т, 'обр шар« - время обработки запроса сервером на ¡-ом этапе; Т1трот, — время передачи ответа по линии связи на ¡-ом этапе; Т'обрзп.« - время обработки запроса клиентом на ¡-ом этапе; У',л - объем данных запроса на ¡-ом этапе; - пропускная способность сети; Л^, - число запросов в очереди; V- объем данных запроса на ¡-ом этапе.

Для получения численных значений параметров модели были произведены экспериментальные измерения основных временных и объемных характеристик системы.

В качестве входного потока запросов в модели принят простейший поток, в котором моменты поступления запросов в систему распределены по закону Пуассона. Поток представляет собой сумму из N независимых малых потоков с суммарной интенсивностью А, где каждый ¡-ый поток представляет собой поток запросов определенного типа. Вероятность появления в суммарном потоке запросов запроса /-го типа определяется соотношениями (2).

1.1

где Я - средняя интенсивность суммарного потока запросов; А, - средняя интенсивность потока запросов 1-го типа; Р, - вероятность появления в суммарном потоке запросов 1-го типа.

На основе анализа протокола работы реальных пользователей были выделены десять основных типов запросов, которые и определяют структуру суммарного потока запросов.

Наиболее важным выводом, сделанным из анализа структуры запросов, было установление избыточного, повторяющегося характера запросов к некоторым разделам. Это объясняется тем, что ряд разделов требуют для работы с ними продолжительного времени, в то время как другие нуждаются лишь в кратковременном, но периодичном ознакомлении с актуальной в текущий момент информацией. По этому признаку все информационные разделы могут быть условно разделены на две группы: базовые и сервисные. Появление избыточных запросов к базовым разделам связано с периодической необходимостью обращения к сервисной информации. На рисунке 4 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие описанный эффект.

Персональная /1

информация '

Информация о пользователе

Сообщения

Список курсов

Этапы текущего курса

Базовые разделы (классический механизам) Базовые разделы (распределенный механизм)

Рис. 4. Временные диаграммы обращений пользователя к различным информационным разделам системы в классическом и распределенном режимах информационного взаимодействия

В работе предложено выразить степень влияния обращений к сервисным разделам на появление избыточных запросов к базовым через набор вероятностей.

Соотношения (3) и (4) выражают итоговую суммарную интенсивность запросов через необходимую интенсивность и введенные вероятности:

Я — Анеобх + ЯЦ^ыч = А&ц Ясерв Л»6ыт> (3)

где Л,«,,^ - необходимая суммарная интенсивность з а п р о сойл; -суммарная интенсивность избыточных базовых запросов; - необходимая

суммарная интенсивность базовых запросов; Лсерв - необходимая суммарная интенсивность сервисных запросов.

* = ¿л = №

где А, - интенсивность базового запроса ьго типа; N - число типов базовых запросов; Лу - интенсивность сервисного запроса >го типа; М- число типов базовых запросов; Ру - вероятность влияния сервисного запроса >го типа на интенсивность базового запроса ьго типа.

Одним из существенных преимуществ предложенного в работе распределенного механизма является реализация возможности получения клиентом дополнительных данных без перезагрузки всей страницы, что позволяет избавиться от избыточных запросов (см. рис. 4).

На основе выше изложенных положений были разработаны имитационные модели системы, функционирующей с использованием классического и распределегаюго режимов информационного взаимодействия. Модели были реализованы с использованием языка имитационного моделирования GPSS.

С целью проверки адекватности разработанных моделей была осуществлена серия экспериментальных измерений значений моделируемых параметров. Целью проверки было экспериментальное определение максимального количества одновременно обслуживаемых пользователей, и проверка согласия значений времени обслуживания для числа пользователей меньшего максимального, полученных моделированием и экспериментально.

Измерение значений времени производилось с использованием пакета OpenSTA и специализированных программных модулей, встроенных в разделы системы. Критерием достижения максимума обслуживаемых пользователей являлось появлением эффекта постепенного роста времени обслуживания, объясняемого постепенным заполнением очереди запросов на сервере.

В ходе проверок результаты моделирования были подтверждены экспериментально. Среднее значение погрешности, характеризующей несоответствие экспериментальных и модельных значений среднего времени обработки запроса составило порядка 10%. Указанная погрешность может считаться приемлемой для достижения поставленных целей моделирования.

Исследования, проведенные с использованием разработанной модели, показали следующие результаты.

В целом, предложенный распределенный механизм является наиболее эффективным в системе с низкой пропускной способностью канала передачи данных, но с высокопроизводительными клиентскими рабочими станциями (см. рис. 5).

Распределенный механизм обладает более.высокими характеристиками масштабируемости по числу одновременно работающих пользователей, чем классический. Как видно из графика на рисунке 6, максимальное число пользователей, при котором отказы в обслуживании еще отсутствуют, для распределенного механизма существенно выше, чем для классического.

О 50 100 150 200

количество пользователей, чел.

классический механизм распределенный механизм

количество пользователей, чел.

классический механизм

в)

50000 400С0 30000

Я £

& 20000

10000 ■ о-

распределенный механизм

1 1

> ------*——♦ I (

■-J-В-О-■-1

1 ч- -1.—;—

50 100 150

количество пользователей, чел.

200

Рис. 5. Зависимость времени обработки запроса от числа одновременно работающих пользователей и механизма взаимодействия (средняя • информационная загрузка, сервер - Р-1П 650 МГц): а) - локальная сеть, клиент - Celeron 466 МГц; б) - выделенный канал, клиент - P-III750 МГц; в) - модем,

клиент-Р-4 2,8 ГГц

— классический механизм —распределенный механизм

I 100% S

I 80%

I 60%

§ 40%

g 20%

1 0%

О 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

количество пользователей, чел.

Рис. 6. Зависимость доли запросов, которым было отказано в обслуживании, от числа одновременно работающих пользователей и механизма взаимодействия (средняя информационная загрузка, сервер - Р-Ш 650 МГц, выделенный канал

клиент - Р-Ш 750 МГц)

Четвертая глава содержит описание архитектуры и особенностей программной реализации всех подсистем информационно-образовательной среды. Предлагается логическая и информационная структура информационно-образовательной среды. Формулируются требования к программной реализации компонентов среды. Описывается архитектура сервера баз данных, сервера 'приложений и особенности программной реализации Web-модулей среды. Описываются особенности технологии построения автоматизированных рабочих мест подсистемы автоматизации документооборота. Рассматриваются подходы по обеспечению информационной безопасности компонентов информационно-образовательной среды.

Рассматриваемая ИОС реализована с использованием трехззенной архитектуры «клиент-сервер», включающей сервер баз данных, сервер приложений и клиентские средства.

Различные категории пользователей в соответствии со своими правами получают доступ только к определенным функциональным модулям ИОС. Администраторы и разработчики курсов могут работать только в локальной сети, а их специализированное программное обеспечение, выполняющее функции автоматизированного рабочего места (АРМ), имеет прямой доступ к базе данных. Тьюторы и студенты работают посредством браузера с Web-интерфейсом ИОС, который реализуется на промежуточном сервере приложений, имеющем доступ к базе данных с учетом бизнес-логики учебного процесса (см. рис. 7).

Сервер базы данных ИОС реализован на основе реляционной системы управления базами данных (СУБД) Microsoft SQL Server 2000, Сервер приложений ИОС реализован на базе Web-сервера Internet Information Services 5.0.

Все программные модули Web-интерфейса распределены по трем уровням: хранимые процедуры SQL Server, код ASP-страниц и сценарии, выполняемые браузером (см, рис. 8).

г\ ;

/1 ! НГ*^! I

! ! хт- i 1

/ « У 1 ! »8»»>m tr----1-

Рис. 7. Архитектура ИОС

Уровень представления Уровень обработки Уровень хранения

Рис. 8. Архитектура WEB-приложения

За хранение информации отвечает СУБД. Доступ к информации, хранящейся в базе данных, обеспечивается через интерфейс, реализованный в виде набора хранимых процедур.

За этап обработки информации отвечают ASP-страницы, которые в соответствии с поступающими со стороны клиента запросами получают данные из базы данных или вносят в нее необходимые изменения. На этом же уровне происходит преобразование форматов представления данных.

Использование технологии DHTML для динамического формирования страниц браузером позволяет перенести выполнение функций уровня представления информации на сторону клиента. Т.е. от сервера клиенту передаются подготовленные ASP-приложением данные, а за их окончательное преобразование в HTML-вид и отображение отвечает браузер. Это позволяет, во-первых, снизить объем передаваемой информации (передаются только непосредственно данные, без HTML-разметки, отвечающей за их внешний вид), во-вторых, данные могут передаваться отдельными блоками по мере необходимости без перезагрузки всей страницы. По этому принципу в

соответствии с предложенной в главе 3 моделью в Web-компонентах ИОС реализован распределенный механизм информационного взаимодействия.

Функции, отвечающие за формирование и функционирование интерфейсных элементов, вынесены в программные модули в виде отдельных файлов на языке JScript. Эти файлы могут быть загружены как с сервера, так и с локальных носителей рабочей станции клиента.

Клиентские средства подсистем «Деканат» и «Администратор» реализованы с использованием традиционных технологий клиент-серверных систем. Подсистемы представлены набором клиентских автоматизированных рабочих мест (АРМ): АРМ «Приемная комиссия»; АРМ «Студент»; АРМ «Сессия»; АРМ «Учебный отдел»; АРМ «Финансы»; АРМ «Преподаватель».

Программные модули АРМ реализованы в среде приложения Microsoft Access. Связь клиентских АРМ с серверной СУБД реализована с использованием интерфейса ODBC. Манипуляции данными в программных модулях приложений осуществляется с использованием технология Microsoft Data Access Objects (DAO).

Автоматическое формирование конечных документов реализовано в среде приложения Microsoft Word с использованием набора специальных шаблонов * dot. Доступ к программным объектам приложения Microsoft Word из модулей Microsoft Access осуществляется с использованием элементов управления ActiveX и объектов Automation.

Для обеспечения информационной безопасности в Web-модулях ИОС применяются следующие основные принципы: анонимный доступ к ASP-страницам приложения; единая пользовательская роль используется в базе данных SQL Server для авторизации; права пользователей проверяются в базе данных SQL Server; для каждого пользователя создается индивидуальный ASP-сеанс; Web-приложение соединяется с базой данных под идентификатором ASP-процесса; все виды взаимодействия с базой данных в ASP-модулях осуществляется только с использованием серверных процедур.

Доступ к административным модулям осуществляется только из корпоративной сети учебного центра. При этом используются механизмы аутентификации и авторизации пользователей на основе интегрированной аутентификации и разрешений Microsoft SQL Server.

В заключении перечислены основные результаты диссертационной работы.

В приложения вынесены исходные тексты программ моделей процесса информационного взаимодействия на языке имитационного моделирования GPSS, виды экранных форм клиентских Интернет-компонентов и автоматизированных рабочих мест информационно-образовательной среды, а также копии актов внедрения результатов диссертационной работы.

Заключение

1. Проведен анализ существующих программных продуктов, выполняющих функции И0С. Выяснено, что ни один из предлагаемых на рынке коммерческих программных продуктов не удовлетворяет всем требованиям реального учебного заведения в области организации учебного процесса с использованием сетевых информационных технологий.

3. Построена математическая модель информационного компонента курса. В модели описаны информационная структура хранения и представления учебного материала, и транспортный механизм информационного обмена в связке «Клиент-сервер» в сетевом режиме функционирования компонента.

4. Разработана программная Web-оболочка информационного компонента курса, реализующая модель динамического формирования содержимого информационных разделов, а также гибкий механизм смещения баланса нагрузки с сервера на компьютер клиента, при работе компонента в on-line режиме.

5. Разработана информационная модель коммуникационного компонента курса, описывающая единую древовидную структуру хранения информационных материалов с выделенными точками входа, а также гибкий механизм управления доступом к информации. С использованием описанной модели реализована программная Web-оболочка, дополнительно предоставляющая механизм присоединения к сообщениям пользовательских файлов произвольного типа, содержащая инструмент для создания в сообщениях текста со сложным форматированием и обеспечивающая оповещение пользователей об обновлениях информации.

6. Построена математическая модель контролирующего компонента курса, предусматривающая реализацию двух основных видов тестирования: промежуточного и контрольного, и обеспечивающая механизм динамического формирования состава вопросов теста в соответствии с заданными условиями. В программной Web-оболочке, разработанной на основе данной модели, реализован механизм защиты ключа проверки ответов промежуточного теста, выполняемого в режиме off-line, от несанкционированного просмотра.

7. Построена математическая модель электронного учебного курса, реализующая механизм комплексной интеграции его компонентов на уровне плана курса.

8. Разработаны модели административно-организационных компонентов ИОС, предусматривающие совмещение механизмов организации учебного процесса по стандартному и индивидуальному учебным планам.

9. Разработаны модели компонентов подсистемы управления документооборотом, учитывающие специфику и требования к организации

документооборота в реальном учебном заведении и совмещающие механизмы управления документооборотом очной и дистанционной фаз обучения.

10.Предложен новый распределенный механизм организации информационного взаимодействия клиента и сервера для Web-компонентов информационно-образовательной среды. Исследованы характеристики и разработана модель информационной системы, функционирующей с использованием предложенного механизма. Получепные на имитационной модели результаты показали высокую эффективность распределенного механизма по сравнению с классическим способом информационного взаимодействия в плане уменьшения времени обработки запроса в условиях каналов связи с низкой пропускной способностью и увеличении максимального числа одновременно обслуживаемых пользователей.

11. Построены инфологические модели всех компонентов ИОС, на их основе разработаны структуры данных и выбраны технологии доступа пользователей из корпоративной сети учебного центра и через Интернет к этим данным.

12.Разработано программное обеспечение Web-модулей для реализации индивидуального рабочего пространства пользователей ИОС в сети Интернет. Созданы программные средства автоматизированных рабочих мест подсистемы автоматизации документооборота.

Список публикаций автора диссертации по теме диссертационной работы

1. Бурнев В.Б., Карасик А.А., Турчанинова Г.В., Чубаркова Е.В. Новые образовательные технологии в уральском государственном техническом университете // Университетское управление: практика и анализ. 2000, №3(20).-с. 39-41.

2. Бурцев В.Б., Карасик А.А., Третьяков B.C., Чубаркова Е.В. Информационное обеспечение дистанционного образования в Уральском государственном техническом университете // Современные технологии обучения «СТ0-2001»: Материалы VII междунар. конф. Санкт-Петербург, 2001.-с. 198-200.

3. Карасик А.А., Третьяков B.C. Электронные учебные курсы и их компоненты // Учебно-методическое обеспечение открытого инженерного образования: Материалы науч.-практ. семинара. Пенза, 2001. - с. 68-71.

4. Бурнев В.Б., Карасик А.А., Третьяков B.C., Чубаркова Е.В. Автоматизированная учебно-информационная система организации дистанционного обучения // Телематика-2001: Труды междунар. науч.-метод. конф. Сант-Петербург, 2001. - с. 61 -62.

5. Карасик А.А., Третьяков B.C. Информационно-обучающая среда факультета дистанционного образования Уральского государственного технического университета // Новые образовательные технологии в вузе: Сборник тез. всерос. науч.-метод. конф. Екатеринбург, 2001. - с. 13-15.

6. Карасик А. А., Третьяков B.C. Особенности технологии создания учебно -информационных систем в России // Новые образовательные технологии в вузе: Сборник тез. всерос. науч.-метод. конф. Екатеринбург, 2001. - с. 15-16.

7. Бурнев В Б., Карасик Л.А., Третьяков B.C., Чубаркова Е.В. Особенности технологии построения электронного учебника, как компонента сетевой информационно-обучающей среды // Электронные учебники и электронные библиотеки в открытом образовании: Тез. докл. 2-й всерос. конф. Москва, 2001.-с. 92-94.

8. Бурнев В.Б., Карасик АА, Третьяков B.C., Чубаркова Е.В. Автоматизация документооборота для организации контрактного обучения // Вуз и его филиалы: опыт, проблемы, перспективы: Сборник тез. докл. Первой уральской науч.-техн. конф. Екатеринбург - Серов, 2002. - с. 53-55.

9. Бурнев В.Б., Карасик А.А., Третьяков B.C., Чубаркова Е.В. Особенности технологии построения системы тестирования, как компонента обучающей среды // Современные технологии образования - фундамент будущего: Материалы докл. междунар. науч.-практ. конф. Минск, 2002. - с. 40-43.

Ю.Карасик А.А. Информационно-образовательная среда как способ интеграции учебных и организационных средств обеспечения дистанционного образования // Телематика-2002: Труды всерос. науч.-метод. конф. Санкт-Петербург, 2002. - с. 256-257.

11.Бурнев BJ5., Карасик А.А., Третьяков B.C., Чубаркова Е.В. Технологические аспекты создания электронных учебников // Электронные учебники и электронные библиотеки: Тез. докл. 3-й всерос. конф. Москва, 2002. - с. 56-60.

12.Бурнев В.Б., Карасик А.А., Третьяков B.C., Чубаркова Е.В. Технические аспекты интеграции учебных и организационных средств информационного обеспечения дистанционной технологии образования // Развитие современных форм экономического образования: Сборник тез. докл. междунар. науч.-практ. конф. Екатеринбург, 2002. - 37-52.

13.Карасик А.А., Третьяков B.C. Структура электронного учебника. Технология создания и использования // Технологии информационного общества - Интернет и современное общество: Труды V всерос. объединенной конф. Санкт-Петербург, 2002. - с. 189-191.

14.Карасик А.А. Доставка образовательного контента. Совмещение on-line и off-line режимов доступа к учебным ресурсам // Региональная многоуровневая система открытого образования Тверской области: Материалы Третьей Межрегион, науч.-практ. конф. Тверь, 2002. - с. 54-57.

15.Карасик А.А. Математическая модель электронного конспекта лекций как компонента электронного учебного курса // Телематика-2003: Труды X Всерос науч.-метод. конф. Санкт-Петербург, 2003. - с. 334-335.

16.Карасик А.А. Информационно-образовательная среда «Элиос» // Инфоком-2003. Инфокоммуникации России - XXI век. Сборник трудов. Екатеринбург, 2003. - с. 203-207.

17.Карасик А.А., Третьяков B.C. Особенности реализации Web-интерфейса системы «Элиос» // Инфоком-2003. Инфокоммуникации России - XXI век. Сборник трудов. Екатеринбург, 2003. - с. 207-208.

№12676

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Карасик, Александр Аркадьевич

Введение.

Глава 1. Анализ проблемы организации учебного процесса с использованием информационных технологий.

1.1. Компьютерные методы и средства в учебном процессе.

1.2. Дистанционная технология обучения.

1.2.1. Общие понятия.

1.2.2. Технологии дистанционного обучения.

1.3. Информационно-образовательная среда.

1.3.1. Общие понятия.

1.3.2. Основные задачи и функции.

1.3.3. Типовая структура и состав компонентов.

1.4. Аналитический обзор существующих разработок, реализующих функции информационно-образовательных сред.

1.5. Выводы по обзору разработок и постановка основных задач диссертационного исследования.

Глава 2. Разработка моделей компонентов информационно-образовательной среды

2.1. Модель электронного учебного курса.

2.1.1. Функциональная структура электронного учебного курса.

2.1.2. Модель компонента «Теоретический конспект».

2.1.3. Модель компонента «Форум».

2.1.4. Модель компонента «Коллекция тестов».

2.1.5. Математическая модель построения электронного учебного курса.

2.1.6. Структура электронного учебного курса.

2.1.7. Мифологическая модель электронного учебного курса.

2.2. Модели административно-организационных компонентов информационно-образовательной среды.

2.2.1. Категории пользователей информационно-образовательной среды.

2.2.2. Административно-организационные функции информационно-образовательной среды.

2.2.3. Модель подсистемы управления внешними пользователями.

2.2.4. Модель подсистемы управления учебно-методическими ресурсами.

2.2.5. Модель учебного плана.

2.2.6. Модель подсистемы учета успеваемости.

2.2.7. Модель подсистемы управления учебными курсами.

2.3. Модель организации электронного документооборота.

2.3.1. Функции системы автоматизации документооборота.

2.3.2. Модель подсистемы управления контингентом студентов.

2.3.3. Модель подсистемы учета финансовых документов.

2.3.4. Модель подсистемы управления приказами.

Глава 3. Модель процесса информационного взаимодействия Web-сервера информационно-образовательной среды с клиентским компьютером.

3.1. Постановка задачи моделирования.

3.2. Исследование объекта моделирования.

3.2.1. Классический механизм информационного взаимодействия.

3.2.2. Распределенный механизм информационного взаимодействия.

3.2.3. Исследование характеристик компонентов модели.

3.3. Модель входного потока запросов.

3.4. Имитационная модель процесса информационного взаимодействия.

3.5. Проверка адекватности модели.

3.6. Анализ результатов моделирования.

Глава 4. Архитектура и программная реализация компонентов информационно-образовательной среды.

4.1. Архитектура информационно-образовательной среды.

4.2. Программная реализация информационно-образовательной среды.

4.2.1. Программная платформа.

4.2.2. База данных.

4.2.3. Web-модули.

4.2.4. Автоматизированные рабочие места.

4.3. Обеспечение информационной безопасности компонентов информационно-образовательной среды.

4.3.1. Архитектура безопасности Интернет-приложений.

4.3.2. Обеспечение безопасности модулей информационно-образовательной среды.

Введение 2004 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Карасик, Александр Аркадьевич

На протяжении ряда лет во всех передовых странах мира наблюдается тенденция стремительного развития образовательных технологий, вызванная интенсивным внедрением компьютерных телекоммуникационных сетей, современных мультимедийных средств и средств автоматизации [2, 4, 17, 54, 68, 79].

С технологической точки зрения, дистанционное обучение представляет собой закономерное развитие методов использования новых информационных технологий в системе образования [22]. Использование таких средств не является самоцелью, а лишь средством интенсификации учебного процесса. Попытки достичь этой цели предпринимаются уже, по крайней мере, на протяжении последних 35 лет - с момента появления в вузах первых образцов вычислительной техники [58, 59, 65, 66]. Однако, только сейчас, когда компьютеры действительно стали приобретать качества, позволяющие называть их интегральными устройствами обработки информации и телекоммуникации, появилась возможность реально почувствовать результаты достижения заветной цели. Дело в том, что современная технологическая база позволяет превратить совокупные знания, которыми располагают вузы, в виртуальный ресурс, доступный учащемуся в любое время, в любом месте и в любом контексте, определяемом самим учащимся.

Популярность дистанционных видов обучения вызвана рядом причин, основными среди которых можно назвать следующие [71]:

• стремление получить образование в учебных заведениях, удаленных от места жительства;

• невозможность отрываться от производственного или иного процесса; стремление минимизировать материальные затраты на получение образования;

• борьба вузов за образовательный рынок.

Особую популярность этот вид организации обучения приобрел в странах, характеризующихся:

• значительными территориями (расстояниями от места жительства обучающегося до учебного заведения); невысоким уровнем жизни; неустойчивым экономическим положением;

• наличием высокого уровня неудовлетворенного спроса на образовательные услуги.

Все эти факторы в той или иной степени относятся и к России [37, 48].

Очевидно, что на начальных этапах внедрения в России образовательных технологий на основе компьютерных телекоммуникаций, могут возникнуть существенные трудности и помехи [53], среди которых:

• недостаточно насыщенный компьютерный парк учебных учреждений и индивидуальных пользователей;

• недостаточное развитие компьютерных телекоммуникационных сетей в России, их нестабильность;

• недостаточная компьютерная грамотность и информационная культура населения, что создает дополнительные психологические барьеры в развитии телекоммуникационных методов обучения.

Однако, отечественной академической общественностью однозначно признается перспективность работ в области дистанционного обучения и создания систем, ориентированных на максимальное использование информационных технологий [71].

В силу описанных выше причин отечественные системы сетевого дистанционного обучения делают только первые шаги. В других же странах наблюдается бурный рост числа учебных заведений, использующих технологии дистанционного или виртуального обучения.

Анализ опыта исследований и разработок европейских и американских коллег показывает, что во многих странах мира уже много лет успешно развиваются технологии, позволяющие использовать сеть Интернет для обучения различных категорий населения [81, 82, 83]. Эта технология обучения - дистанционное обучение - является в какой-то степени аналогом российской заочной формы, но основывается на использовании передовых педагогических и сетевых компьютерных технологий.

В мире разработаны и успешно используются различные системы дистанционного обучения, включающие в свой состав электронные библиотеки учебных курсов, дополнительных материалов и широкий набор сервисных функций, обеспечивающих организацию учебного процесса. Среди наиболее известных можно отметить: «Британский Открытый университет», «Открытый университет Нидерландов», «Центр открытого обучения» (Испания), «Агентство по открытому обучению» (Австралия), «Государственный университет штата Пенсильвания» (США), «Национальный университет дистанционного образования» (Бразилия) и многие другие [71].

В настоящее время на рынке представлено достаточно большое число программных продуктов, предназначенных для осуществления информационного обеспечения процесса дистанционного обучения [19, 26, 46, 70]. Однако большая их часть не удовлетворяет критериям, предъявляемым к ним в соответствии с существующими особенностями развития дистанционных технологий в реальных образовательных учреждениях [72]. Поэтому прямое их использование в условиях большинства российских вузов зачастую затруднено.

Анализ представленных. на рынке информационно-обучающих систем показывает их преимущественную ориентацию на использование on-line режима взаимодействия с учебным центром, который может быть эффективно реализован только в условиях качественных каналов связи. В России это условие выполняется еще далеко не во всех даже центральных районах, не говоря уже о периферии. Поэтому данный фактор будет еще возможно долгое время оставаться решающим в выборе обучаемым той или иной учебной платформы для получения образования с использованием дистанционных технологий.

Другим важным фактором, сказывающимся на сложности непосредственного использования предлагаемого программного обеспечения, является необходимость адаптации функциональных возможностей приобретаемого продукта, в первую очередь в части организации учебного процесса и управления документооборотом, к требованиям реального учебного заведения, что зачастую затруднено.

Объектом исследования данной работы является дистанционная технология обучения.

Предметом исследования является комплекс программно-технических средств, обеспечивающих реализацию дистанционной технологии обучения.

Целью работы является разработка комплексной информационно-образовательной среды для реализации дистанционной технологии обучения в условиях реального технического вуза. Данная цель предполагает решение следующих задач:

• Анализ существующих программных продуктов, выполняющих функции информационно-образовательных сред.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработаны пакеты математических и имитационных моделей процесса информационного взаимодействия V/еЬ-сервера системы с клиентским компьютером в классическом и распределенном режимах функционирования, учитывающие свойства системы и структуру входного потока запросов.

Практическая ценность работы. Разработанные программные средства могут быть использованы для организации учебного процесса на контрактной или бюджетной основе в любых высших учебных заведениях по программам высшего и послевузовского образования, на курсах профессиональной переподготовки и повышения квалификации с использованием традиционных или дистанционных технологий обучения.

В настоящее время разработанная информационно-образовательная среда внедрена в эксплуатацию в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный технический университет — УПИ» (г. Екатеринбург), Федеральном государственном учреждении «Уральский центр стандартизации, метрологии и сертификации» (г. Екатеринбург) и Государственном образовательном учреждении «Уральский колледж метрологии и качества» (г.

Среднеуральск) Акты внедрения результатов диссертационной работы представлены в ПРИЛОЖЕНИИ 4.

В базе данных среды содержатся данные всех студентов и абитуриентов факультета дистанционного образования УГТУ-УПИ (более 3000 человек). Организационные компоненты среды эффективно используются для организации документооборота факультета при зачислении абитуриентов, управлении движением контингента студентов и преподавателей, составлении расписания очных занятий, учете успеваемости, управлении учебными и рабочими планами, работе с финансовыми документами.

Web-модули среды используются для организации учебного процесса студентов факультета дистанционного образования через сеть Интернет. Пользователи среды имеют доступ к информационным сообщениям и объявлениям организационного характера, расписанию занятий, справочной информации о составе учебных дисциплин текущего и последующих семестров, информации о своей текущей успеваемости, электронным учебно-методическим материалам, средствам общения и контроля знаний. В настоящее время в качестве пользователей среды зарегистрировано около 100 человек.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из четырех глав, заключения и приложений.

В третьей главе описывается модель процесса информационного взаимодействия Web-сервера информационно-образовательной среды с клиентским компьютером. Описывается классический механизм информационного взаимодействия и предлагается новый распределенный механизм взаимодействия. Ставится задача моделирования системы функционирующей в каждом из рассмотренных механизмов с целью выявления наиболее оптимального из них. Описывается методика, и приводятся результаты исследования свойств моделируемой системы. Предлагается модель входного потока запросов. Описывается созданная на основе полученных данных имитационная модель системы. Приводятся результаты исследования механизмов информационного взаимодействия, полученные с помощью созданной модели.

Четвертая глава содержит описание архитектуры и особенностей программной реализации всех подсистем информационно-образовательной среды. Предлагается логическая и информационная структура информационно-образовательной среды. Формулируются требования к программной реализации компонентов среды. Описывается архитектура сервера баз данных, сервера приложений и особенности программной реализации Web-модулей среды. Описываются особенности технологии построения автоматизированных рабочих мест подсистемы автоматизации документооборота. Рассматриваются подходы по обеспечению информационной безопасности компонентов информационно-образовательной среды.

В заключении перечислены основные результаты диссертационной работы.

Заключение диссертация на тему "Разработка модели и программного обеспечения информационно-образовательной среды для организации дистанционного обучения с использованием сети Интернет"

Заключение

В диссертации получены следующие результаты:

1. Проведен анализ существующих программных продуктов, выполняющих функции ИОС. Выяснено, что ни один из предлагаемых на рынке коммерческих программных продуктов не удовлетворяет всем требованиям реального учебного заведения в области организации учебного процесса с использованием сетевых информационных технологий. Большей частью это объясняется отсутствием учета специфики Российского образования и, административной части образовательного процесса в особенности, а также наличием ряда трудностей и помех технического характера для внедрения технологий, основанных на компьютерных телекоммуникациях.

2. Выявлена типовая функциональная структура электронного учебного курса и предложен универсальный базовый набор компонентов курса, позволяющий сформировать полный цикл учебных мероприятий в составе курса: «Теоретический конспект», исполняющий роль информационного блока, «Форум», используемый для организации коммуникационных мероприятий, «Коллекция тестов», как средство контроля, и «Прочий компонент», представляющий собой ссылку на произвольный информационный ресурс.

3. Построена математическая модель компонента «Теоретический конспект» [33]. В модели описаны информационная структура хранения и представления учебного материала, и транспортный механизм информационного обмена в связке «Клиент-сервер» в сетевом режиме функционирования компонента. Полученная модель информационной структуры определяет единый формат хранения и представления учебного материала. Транспортная модель решает задачу оптимизации потока данных, передаваемых между сервером и клиентом, при работе с компонентом в on-line режиме [31].

4. Реализованы два варианта универсальной программной Web-оболочки компонента «Теоретический конспект», отличающиеся различными технологиями хранения и формирования информационного наполнения компонента [35]. С использованием разработанной модели информационной структуры учебного материала в оболочках реализованы механизмы гибкого формирования порции выдаваемого набора информационных блоков, организации взаимных ссылок для нелинейной навигации по тексту излагаемого материала, динамического формирования оглавления теоретического конспекта, осуществления эффективного алгоритма поиска информации в тексте и т.д. Также реализован гибкий механизм смещения баланса нагрузки с сервера на компьютер клиента, при работе компонента в online режиме, в зависимости от качества каналов связи и производительности клиентской рабочей станции.

5. Разработана информационная модель компонента «Форум», описывающая единую древовидную структуру хранения информационных материалов с выделенными точками входа, а также гибкий механизм управления доступом к информации. С использованием описанной модели реализована программная Web-оболочка, дополнительно предоставляющая механизм присоединения к сообщениям пользовательских файлов произвольного типа, содержащая инструмент для создания в сообщениях текста со сложным форматированием (например, математических формул) и обеспечивающая оповещение пользователей об обновлениях информации.

6. Построена математическая модель компонента «Коллекция тестов», предусматривающая реализацию двух основных видов тестирования: промежуточного и контрольного, и обеспечивающая механизм динамического формирования состава вопросов теста в соответствии с заданными условиями [34]. В программной Web-оболочке, разработанной на основе данной модели, реализован механизм защиты ключа проверки ответов промежуточного теста, выполняемого в режиме off-line, от несанкционированного просмотра.

7. Построена математическая модель электронного учебного курса, реализующая механизм комплексной интеграции его компонентов на уровне плана курса [36]. Основным элементом курса является этап курса, который представляет собой ссылку на некоторый информационный ресурс из библиотеки компонентов курсов. Любой компонент курса из числа доступных в библиотеке компонентов может быть использован в курсе (путем ссылки на его часть) неоднократно либо не использован вовсе. Последовательность расположения этапов в курсе определяет рекомендуемую последовательность использования информационных ресурсов в процессе изучения курса.

8. Разработаны модели административно-организационных компонентов ИОС. В качестве центрального компонента подсистемы организации учебного процесса используется учебный план, за каждой дисциплиной которого закреплен один или несколько учебных курсов.

9. Разработана модель учебного плана, предусматривающая совмещение механизмов организации учебного процесса по стандартному и индивидуальному учебным планам.

10. Разработаны модели компонентов подсистемы управления документооборотом, учитывающие специфику и требования к организации документооборота в реальном учебном заведении и совмещающие механизмы управления документооборотом очной и дистанционной фаз обучения.

11. Предложен новый распределенный механизм организации информационного взаимодействия клиента и сервера для Web-компонентов информационно-образовательной среды. Исследованы характеристики и разработана модель информационной системы, функционирующей с использованием предложенного механизма. Полученные на имитационной модели результаты показали высокую эффективность распределенного механизма по сравнению с классическим способом информационного взаимодействия в плане уменьшения времени обработки запроса в условиях каналов связи с низкой пропускной способностью и увеличении максимального числа одновременно обслуживаемых пользователей. Предложенный распределенный механизм информационного взаимодействия может быть использован при создании любых информационных Интернет-ориентированных клиент-серверных систем, функционирующих в условиях некачественных каналов связи на серверном оборудовании низкой производительности.

12. Построены инфологические модели всех компонентов ИОС, на их основе разработаны структуры данных и выбраны технологии доступа пользователей из корпоративной сети учебного центра и через Интернет к этим данным.

13. Разработано программное обеспечение Web-модулей для реализации индивидуального рабочего пространства пользователей ИОС в сети Интернет. Созданы программные средства автоматизированных рабочих мест подсистемы автоматизации документооборота учебного заведения.

Библиография Карасик, Александр Аркадьевич, диссертация по теме Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

1. Андреев А.А. Введение в дистанционное обучение // Евразийская ассоциация дистанционного образования. Материалы IV Международной конференции по дистанционному образованию. М.: МЭСИ, 1997.

2. Андреев А.А. Зарубежный опыт использования ЭВМ в образовании. Совершенствование учебного процесса вузов на основе его компьютеризации. М.:ВПА, 1991.

3. Андреев А.А., Каплан С.Л., Краснова Г.А., Лобачев С.Л., Лупанов К.Ю., Поляков А.А., Скамницкий А.А., Солдаткин В.И.; Отв. ред. Солдаткин В.И. Основы открытого образования — Т. 1. М.: НИИЦ РАО, 2002. — 676 с.

4. Андреев А.А., Меркулов В.П., Тараканов Г.В. Современные телекоммуникационные системы в образовании // Педагогическая информатика. 1995, № 1.-е. 55-63.

5. Андреев А.Г. и др. Microsoft Windows 2000: Server и Professional. Русские версии / Под общ. ред. А.Н. Чекмарева и Д.Б. Вишнякова. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 1056 е.: ил.

6. Анташов В. Современные тренажерные технологии. Обзоры сервера СТТ: «Дистанционное обучение в мире», http://www.traintech.ru/ru/public/ index.php?path=distancelearning (17 июня 2003)

7. Бабешко В.Н., Нежурина М.И. О возможных подходах к оценке качества программных комплексов для образовательных сред // Электронные учебники и электронные библиотеки: Тез. докл. 3-й всерос. конф. — М.: МЭСИ, 2002. с. 40-45.

8. Бальцук Н.Б., Буняев М.М., Матросов В.Л. Некоторые возможности использования электронно-вычислительной техники в учебном процессе М.: Прометей. 1989. 135 с.

9. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Технология и инструментальные средства проектирования компьютерных тренажерно-обучающих комплексов дляпрофессиональной подготовки и повышения квалификации // Информационные технологии. 1998, № 6, 7.

10. П.Белкин В.Ю., Костенко К.И., Левицкий Б.Е. Создание информационных ресурсов в электронной среде предметной области на основе типовых сценариев // Телематика-2003: Труды X всерос. науч.-метод. конф. СПб., 2003.- с.429-431.

11. Брусиловский П.Л., Зырянов М.И. Интеллектуальная учебная среда «Остров» // 3-я Конференция по искусственному интеллекту. Тверь: Ассоциация искусственного интеллекта, 1992. — с.33-35.

12. Васильев В.Н., Стафеев С.К., Селиверстов А.В., Мельничук А.П. Федеральный естественнонаучный образовательный портал как часть единой интернет-системы «Российское образование» // Телематика-2003: Труды X всерос. науч.-метод. конф. СПб., 2003. с. 207.

13. Васильков Ю.В. Проблемы качества обучения с использованием электронных учебников // Электронные учебники и электронные библиотеки в открытом образовании: Тез. докл. 2-й всерос. конф. М.: «МЭСИ», 2001. с. 110-116

14. Вентцель Е.С., Исследование операций. М.: "Советское радио", 1972.

15. Гиркин И.В. Новые подходы к организации учебного процесса с использованием современных компьютерных технологий // Информационные технологии", 1998, №6. — с. 44-47.

16. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. — 1987.

17. Гусев П.В. Построение современной концептуальной модели системы корпоративного обучения на основе распределенной среды дистанционного обучения Learning Space 4.0 // Телематика-2001: Труды междунар. науч.-метод. конф. СПб., 2001.-е. 81.

18. Деревнина А.Ю., Коняков М.Б., Семекин В.А. Принципы создания электронных учебников // Открытое образование. 2001, № 2. — с. 14-17.

19. Дунаев С. Доступ к базам данных и техника работы в сети. Практические приемы современного программирования. — М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999. -416 с.

20. Ефремов B.C. Виртуальное обучение как зеркало новой информационной технологии. // Менеджмент в России и за рубежом, 1999, № 6.

21. Игнатова И.Г. Образовательное пространство в системе ОРОКС // Телематика-2001: Труды междунар. науч.-метод. конф. СПб., 2001. — с. 89.

22. Игорь Цяпа. Параметры производительности IIS 4/5. 2002. http://www.tsyapa.ru/tuningIIS/tuningIIS-l l.htm (11 февраля 2004)

23. Карасик А.А. Информационно-образовательная среда как способ интеграции учебных и организационных средств обеспечения дистанционного образования // Телематика-2002: Труды всерос. науч.-метод. конф. СПб., 2002.-с. 256-257.

24. Карасик А.А. Математическая модель электронного конспекта лекций как компонента электронного учебного курса // Телематика-2003: Труды X всерос. науч.-метод. конф. СПб., 2003. с. 334-335.

25. Карасик А.А., Третьяков B.C. Структура электронного учебника. Технология создания и использования // Технологии информационного общества — Интернет и современное общество: Труды V всерос. объединенной конф. СПб., 2002.-с. 189-191.

26. Карасик А.А., Третьяков В.С!. Электронные учебные курсы и их компоненты // Учебно-методическое обеспечение открытого инженерного образования: Материалы науч.-практ. семинара. Пенза, 2001. с. 68-71.

27. Карпенко М.П. Дистанционное образование в России: Проблемы теории и практики // Закон. Финансы. Налоги. № 9(75) - 29 февраля — 2000 г.

28. Карпов Е.Б., Фридланд А .Я., Фридланд И.А. Учебные материалы для открытого образования // Открытое образование. 2001, № 2. — с. 42-46.

29. Киреев А.Ю., Киреев Ю.В., Кравченко А.Н., Федин А.В. Открытому образованию открытые программы // Образование в информационную эпоху: Материалы междунар. конф. М., 2002. с. 205-211.

30. Киселев Б.Г. Архитектура электронного учебника // Электронные учебники и электронные библиотеки в открытом образовании: Тезисы докл. 2-й всерос. конф. М.: МЭСИ, 2001. с. 231-236.

31. Компьютерная технология обучения: Словарь-справочник / Под ред. В.И. Гриценко, A.M. Довгялло, А .Я. Савельева. Киев, 1992.

32. Кондратьев К.А., Белоногов А.Н. Техническое описание и концепция системы дистанционного обучения xDLS. xDLSoft. http://www.xdlsoft.com/rus/doc/5techref.html (16 июня 2003).

33. Корниенко В.В., Афанасьев А.Н. Модели и средства сетевого обучения // XXXIV отчетная науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава УлГТУ: тез. докл. Ульяновск, 2000.

34. Кривошеев А. Проблемы оценки качества программных средств учебного назначения // Оценка качества программных средств учебного назначения: Сборник докл. первого науч.-практ. семинара. М.: «Гуманитарий», 1995. с. 5-12.

35. Кривошеее А.О. Разработка и использование компьютерных обучающих программ // Информационные технологии. 1996. - № 2. - с. 14-17.

36. Курганская Г.С. Модели, методы и технология дифференцированного обучения на базе Интернет: Автореф. дис. док. физ.-мат. наук. — М., 2001.

37. Лебедев В.Б. Кабакова И.В. Организация документооборота в системе дистанционного образования // Учебно-методическое обеспечение открытого инженерного образования: Материалы науч.-практ. семинара. Пенза, 2001.-с. 83-85.

38. Лиферов А. Дистанционное образование как фактор формирования единого мирового образовательного пространства // Меценат и мир. № 6-7 — 199798 г.

39. Лобачев С.Л. Информационно-образовательная среда открытого образования: ход работы в 2001 году // Современная образовательная среда: Материалы всерос. конф. М.: ВВЦ «Наука и образование», 2001 с. 110-115.

40. Лобачев С.Л. Учебный процесс в системе открытого образования: опыт и перспективы. // Телематика-2003: Труды X всерос. науч.-метод. конф. СПб., 2003.-с. 443-449.

41. Мамаев Е. Шкарина Л. Microsoft SQL Server для профессионалов. — СПб: Питер, 2001. 1088 е.: ил.

42. Машбиц Е.И. Психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения: (Педагогическая наука реформе школы). - М.: Педагогика, 1988. - 192 с.

43. Могилев А.В., Злотникова И.Я., Кравец В.В. Педагогические аспекты дистанционного образования. Воронеж: Изд-во ВГПУ, 1997.

44. Программированное обучение и обучающие машины: Материалы семинара. Вып. 1,2. — Киев: Изд-во Киевского политехнического ин-та, 1967.

45. Прокофьева Н.О., Зайцева J1.B., Куплис У.Г. Компьютерные системы в дистанционном образовании // Телематика-2001: Труды между нар. науч.-метод. конф. СПб., 2001. с. 109-111.

46. Роберт И.В. Современные информационные технологии в образовании. М.: Школа-Пресс, 1994. с. 205

47. Рогов С., Намиот Д. Тестирование производительности Web-серверов. Сибинфоцентр. http://www.sibinfo.ru/news/030 l08/servertesting.shtm (17 июня 2003)

48. Российский портал открытого образования: обучение, опыт, организация / Отв. ред; В.И. Солдаткин. М.: МГИУ, 2003. - 508 с.

49. Российский рынок систем дистанционного обучения: конкуренты только начинают узнавать друг друга. CNews: Интернет издание о высоких технологиях. http://www.cnews.ru/newcom/index.shtml?2002/01/16/126394 (17 июня 2003)

50. Ростунов Т.И. Программированное обучение и обучающие машины. — Киев: Техника, 1967.

51. Савельев А.Я. Автоматизированные обучающие системы на базе ЭВМ. Вып. 1. М.: Знание, 1977.-36 с.

52. Солдаткин. В.И. Информационно-образовательная среда открытого образования // Телематика-2002: Труды всерос. науч.-метод. конф. СПБ., 2002. с. 281-284.

53. Соловов А.В. Информационные технологии обучения в профессиональном образовании//Информатика и образование . 1996, №1.-с. 13-19.

54. Технические и гуманитарные аспекты информационных образовательных сетей и сред: Монография / Под науч. ред. М.Ю. Монахова и И.В. Шалыгиной. Владим. гос. ун-т, Владим. ин-т усоверш. учит., Владимир, 2001.

55. Титарев Д.Л. Сравнительный анализ современных САПР сетевых курсов // Открытое образование в России XXI века: Материалы Восьмой междунар. конф. М.: МЭСИ, 2000. с. 228-231.

56. Тихомиров В.П., Солдаткин В.И., Лобачев С.Л. Среда ИНТЕРНЕТ-обучения системы образования России: проект Глобального виртуального университета / Международная академия открытого образования. — М.: Издательство МЭСИ, 2000. 332 с.

57. Устинов В.А., Бусыгина Н.Г., Лозовная Н.Е., Кутенева И.В. Вопросы выбора системы управления учебным процессом для открытого образования // Телематика-2003: Труды X всерос. науч.-метод. конф. СПб., 2003. — с. 419420.

58. Федорова Е.Ф. Системное представление дистанционного образования // Научно-методический журнал «Педагогические и информационные технологии в образовании». 2002, №5.

59. Фомин С.С. Развитие технологии создания компьютерных обучающих программ. 1996, №2.- с. 18-21.

60. Фролов А.В., Фролов Г.В. Базы данных в Интернете: практическое руководство по созданию Web-приложений с базами данных. — М.: Издательско-торговый дом «Русская редакция», 2000. — 432 е.: ил.

61. Ховард М., Леви М., Вэймир Р. Разработка защищенных Web-приложений на платформе Microsoft Windows 2000. Мастер-класс. / Пер. с англ. — СПб.: Питер; М.: Издательско-торговый дом «Русская Редакция», 2001. — 464 е.: ил.

62. Христочевский С.А. Базовые элементы электронных учебников и мультимедийных энциклопедий // Системы и средства информатики: Вып. 9 / Под ред. И.А. Мизина. М.: Наука. Физматлит, 1999. с. 202-214.

63. Черняк JI. Снова о тестах ТРС. // Открытые Системы, 2000, №11.

64. Юрин В.Н. Компьютерные технологии в учебном процессе инженерного образования // Информационные технологии. 1999, №3.- с. 45-46.

65. Aaron Skonnard. Understanding the IIS Architecture. 1999. http://www.microsoft.com/mind/1099/inside/insidel099.asp (26 апреля 2004)

66. Bork A. Learning with personal computers. Cambridge: Harper and Row, 1987. — 238 p.

67. Etienne Wenger. Artificial Intelligence and Tutoring Systems (Computational and Cognitive Approaches to the Communication of Knowledge) // Morgan Kaufmann Publishers. Los Altos, California, USA, 1987. - 487 p.

68. Hebenstreit J. Computers in education — The next step. // Education and Computing, v.l, 1995. -p. 37^13.

69. IIS Architecture. MSDN-Library. 2004.http ://msdn.microsoft. com/1 ibrary/ default. asp?url=/library/en-us/iissdk/iis/iiscorefunctionality.asp (26 апреля 2004)

70. Internet Information Server 4.0: Пер. с англ. К.: Издательская группа BHV, 1998.-624 с.86.0penSTA Documentation. Open System Testing Architecture Organization, www.opensta.org/docs/index.html (17 июня 2003)

71. Siegfried Goschl, Microsoft Web Applications Stress Tool. JUGAT Meeting, 12 June 2001, www.javausergroup.at/events/was.pdf (17 июня 2003)

72. WebBench 4.1 Overview. eTestingLabs, 2001, www.etestinglabs.com/benchmarks/webbench/home.asp (17 июня 2003)

73. WebStone 2.x Benchmark Description. Mindcraft, 1998, www.mindcraft.com/webstone/ws201-descr.html (17 июня 2003)

74. XHTML 1.1 Module-based XHTML. W3C Recommendation. 31 May 2001. http://www.w3.org/TR/2001/REC-xhtmlll-20010531 (17 июня 2003)

Похожие работы

Информатика, вычислительная техника и управление
05.13.00