автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Технология создания сетевых интерактивных ресурсов в образовании и научных исследованиях

Введение.

Основные технические термины.

Часть 1. Обзор существующих технологий.

1.1. Классификация интерактивных учебных курсов.

1.2. Обзор технологий, применяемых при разработке образовательных ресурсов.

1.3. Интернет-технологии для разработки интерактивных курсов.

1.3.1. Проблемы публикации данных.

1.3.2. Языки разметки HTML и XML.

1.3.3. Язык программирования Java.

1.3.4. Инструментальная среда разработки Macromedia Flash.

Часть 2. Технология разработки интерактивных ресурсов.

2.1. Платформа CourseML.

2.1.1. Общие требования.

2.1.2. Технические требования.

2.1.3. Основные комплексы и системы интерактивного курса.

2.1.4. Развитие платформы CourseML.

2.2. Архитектура платформы CourseML.

2.2.1. Структура курса.

2.2.2. Главное меню программы.

2.2.3. Инсталлятор курса.

2.2.4. Идентификация пользователей.

2.2.5. Сетевая и локальная версии.

2.3. Учебно-справочный комплекс.

2.3.1. Иерархия текстовых компонентов.

2.3.2. Навигация по курсу.

2.3.3. Основные элементы DTD «Содержание».

2.3.4. Основные элементы DTD «Теория».

2.4. Комплекс виртуальных лабораторий.

2.5. Тестирующий комплекс.

2.5.1. Контроль знаний учащегося.

2.5.2. Классификация контрольных заданий.

2.5.3. Классификация контрольных работ.

2.5.4. Контрольные задания в системе СоигэеМЬ.

2.5.4.1. Задания на выбор вариантов ответа.

2.5.4.2. Задания на сортировку или классификацию.

2.5.4.3. Задания на текстовый или численный ввод.

2.5.4.4. Задания на формульный ввод.

2.5.4.5. Задания на графический ввод.

2.5.4.6. Задания со свободным ответом.

2.5.4.7. Параметризация задач.

2.5.5. База данных контрольных заданий.

2.5.6. Система составления контрольного задания.

2.5.7. Система управления контрольными работами.

2.5.6.1. Общие сведения о системе.

2.5.6.2. Разметка контрольных работ в СоикеМЬ 3.

2.5.8. Журнал.

2.5.8.1. Локальная версия журнала СоигееМЬ 2.5.

2.5.8.2. Способ определения оценки.

2.5.8.3. Сетевой журнал Сош-эеМЬ 2.5.

2.5.8.4. Журнал СоигееМЬ 3.0.

2.6. Поисковый комплекс.

2.6.1. Система поиска.

2.6.2. Предметный и именной указатели.

2.7. Система помощи.

2.8. Система методической поддержки.

2.9. Визуализация формул.

2.9.1. Язык Ме1аТеХ.

2.9.2. Язык МаЙ1МЬ.

2.9.3. Технология визуализации.

2.10. Сборка и тестирование ресурса.

2.10.1. Сборка ресурса.

2.10.2. Серверный и клиентский XML.

2.10.3. Работа с интерактивными моделями.

2.10.4. Тестирование.

2.11. Интернет-версия интерактивного ресурса.

2.11.1. Требования к Интернет-версии.

2.11.2. Отличия Интернет- и CD-версий.

Часть 3. Технология разработки интерактивных учебных моделей.

3.1. Интерактивные модели и виртуальные лаборатории.

3.2. Архитектура интерактивной модели.

3.3. Библиотека ОВJava 3.0.

3.3.1. Цели и задачи.

ЗД2. Структура библиотеки OBJava 3.0.

3.3.3. Структура модели OBJava 3.0.

3.4. Библиотека Flacon MX.

3.4.1. Цели и задачи.

3.4.2. Структура библиотеки Flacon MX.

3.4.3. Структура модели Flacon MX.

3.5. Цикл разработки моделей.

Часть 4. Интерактивные курсы естественно-научного цикла.

4.1. Курсы «Открытый Колледж 2.5».

4.2. «Открытая Астрономия 2.5».

4.2.1. Характеристики курса.

4.2.2. Примеры интерактивных моделей.

4.2.3. Планетарий.

4.2.3.1. Общие положения.

4.2.3.2. Структура программы.

4.2.3.3. Перечень функциональных возможностей.

4.2.3.4. Принципы визуализации.

4.3. «Открытая Биология 2.5».

4.3.1. Характеристики курса.

4.3.2. Примеры интерактивных моделей.

4.3.3. Систематика организмов.

4.4. «Открытая Математика 2.5. Функции и Графики».

4.4.1. Характеристики курса.

4.4.2. Примеры интерактивных моделей.

4.4.3. Графер.

4.4.3.1. Общие положения.

4.4.3.2. Интерфейс пользователя.

4.4.3.3. Внутренняя архитектура.

4.4.3.4. Конфигурационные файлы.

4.4.3.5. Реализация динамической активности Графера.

4.4.3.6. Разработка интерактивных моделей на основе графера.

4.4.3.7. Интегрированная среда разработки кодов.

4.4.3.8. Задачи с графическим вводом.

4.4.3.9. Мастер построения графиков.

Произошедшие в конце XX века в нашей стране перемены не могли не сказаться на образовательном процессе. Постепенное уменьшение количества опытных преподавателей, моральное старение экспериментальной базы в школах и вузах привели к серьезному кризису в сфере образования. С другой стороны, курс на всеобщую информатизацию и компьютеризацию учебных заведений во всём мире дает уникальный шанс внедрить в образовательный процесс электронные технологии. Использование этих технологий способно, во-первых, повысить уровень квалификации и творческую активность учителя, а во-вторых, дать учащимся возможность самостоятельно изучать тот или иной предмет.

Исследования психологов [5] по анализу применения электронных технологий с использованием мультимедиа в учебном процессе показывают, что такие технологии позволяют повысить эффективность обучения на 20-30 %, т.е. уменьшить число ошибок и время, необходимое на усвоение материала, повысить прочность усвоения знаний и навыков. Это достигается за счет целого ряда факторов, среди которых:

• индивидуализация обучения благодаря использованию электронных учебных изданий, в которых образовательные траектории и темп учебного процесса выбирается самим обучаемым;

• возможность использования в ходе обучения различных видов информации: текста, графики, видео- и аудиофрагментов, что позволяет имитировать реальные ситуации, скрытые процессы и объекты1;

• возможность использования интенсивных методов активного обучения: деловые и имитационные игры, погружение в проблемные ситуации, моделирование реальных и виртуальных процессов и объектов, когнитивная графика.

Исследования показывают, что применение в образовании электронных ресурсов, основанных на использовании мультимедиа-технологий, позволяет получить совершенно но

1 Отметим, что использование нетекстовой информации дает как качественно новые, так и количественные преимущества в обучении. Качественные преимущества очевидны, если сравнить, например, словесное описание структуры клетки и ее визуальное представления. Количественные же преимущества выражаются в том, что мультимедиа-среда в миллионы раз выше по информационной плотности. По исследованиям немецкого института «Евролингвист» большинство людей запоминает 5 % услышанного и 20 % увиденного. Одновременное использование аудио- и видеоинформации повышает запоминаемость до 40-50 %. вый качественный уровень образования и, по существу, изменить процесс передачи и усвоения знаний, навыков и умений.

Не менее важной составляющей дистанционного процесса обучения является использование сетевых ресурсов, начиная от школьной сети и заканчивая сетью Интернет. Сетевые технологии позволяют учителям работать, с одной стороны, индивидуально, и, с другой стороны, одновременно со всем классом, избегая необъективности и двойного стандарта в оценке знаний учащихся. Кроме того, Интернет-технологии позволяют школьникам и студентам из отдаленных районов страны, где обычно особо остро ощущается недостаток качественного обучения, получать электронные консультации, участвовать в виртуальных экспериментах, проходить удаленно аттестацию и тестирование.

Таким образом, в образовательном секторе появился спрос на электронные учебные ресурсы, особенно те из них, которые можно использовать для обучения через Интернет или локальную сеть. «Ручное» производство, которые используется при разработке абсолютного большинства образовательных ресурсов, не может обеспечить ни традиционно высоких требований, предъявляемых к качеству учебных пособий, ни необходимой скорости разработки продукта, связанной как с необходимостью непрерывного обновления учебной базы, так и с научно-техническим прогрессом, при котором на замену старым технологиям приходят все более совершенные новые.

В научных же ресурсах основной проблемой являлось хранение сложных математических и химических формул. Традиционные подходы (хранение формул в иллюстрациях, текста с формулами в РЭР-файлах) не удовлетворяют современных разработчиков в связи с большими затратами на создание и редактирование формул, «негибкость» их оформления.

Целью данной работы является создание полнофункциональной технологии, позволяющей унифицировать и «поставить на поток» процесс разработки интерактивных сетевых ресурсов как научного, так и учебного характера. В первой части диссертации производится классификация электронных учебных продуктов, сравнение интерактивных курсов российских производителей, описываются технологии сторонних разработчиков, которые используются в нашей методике. Вторая и третья части посвящены описанию разработанной нами технологии, на основе которой проектируются интерактивные ресурсы в целом и их наиболее технологически сложная часть - компьютерные лаборатории и модели. В четвертой части приводятся практические результаты использования разработанных нами технологий, дается описание интерактивных ресурсов, выполненных на их основе.

Основные технические термины

• ActiveX - технология Microsoft, предназначенная для написания сетевых приложений и включающая наборы стандартных библиотек.

• CSS - каскадные таблицы стилей, определяют формат отображения HTML-документов.

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

• DTD - декларация типа XML-документа; содержит в себе описание всех тегов и значений их атрибутов.

• Flash - разработанный компанией Macromedia формат представления векторной графики для Интернет, а также видеоролики, реализованные на этом формате. Начиная с версии 3.0, включает в себя также язык сценариев ActionScript, обеспечивающий интерактивность фильмов. Поддерживается большинством современных обозревателей.

• HTML - язык разметки текста, являющийся в настоящее время основным языком представления информации в Интернет.

• Java - кроссплатформенный язык программирования, разработанный компаний Sun Microsystems. Поддерживается большинством современных обозревателей.

• JavaScript - разработанный компанией NetScape язык сценариев, предназначенный для создания динамических HTML-страниц. Компания Microsoft разработала аналогичный язык сценариев JScript.

• MathML - подмножество XML, применяемое для описания математических формул.

• RTF — один из стандартных форматов хранения текстовых данных.

• URL - универсальный формат записи Интернет-ресурсов.

• XML - структурированный язык разметки, разработанный консорциумом World Wide Web.

• XSL - язык стилей, применяемый для визуализации XML-документов.

• Апплет - сетевое приложение, выполняемое на клиентском компьютере.

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

• Сервлет - сетевое приложение, выполняемое на компьютере-сервере.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

I. В рамках диссертационной работы получены следующие основные результаты.

1. Проведен анализ существующих интерактивных курсов на российском образовательном рынке. Установлено, что ни один из существующих курсов не покрывает в полной мере всех потребностей образовательного процесса. Сформулирована общая концепция платформы для разработки интерактивных учебных курсов (платформы CourseML), с которыми можно работать как на локальном компьютере, так и через сети Intranet/Internet. Сформулированы основные требования к этой платформе.

2. Разработана общая структура электронного издания. Разработано понятие о комплексах получения знаний (учебно-справочный комплекс), практических занятий (комплекс виртуальных лабораторий), аттестации (тестирующий комплекс) и вспомогательных системах (поисковый комплекс, системы помощи и методической поддержки).

3. Разработана логическая и физическая (файловая) информационные структуры курсов.

4. Типизированы информационные объекты интерактивных курсов. Страницы интерактивного курса разбиты на группы (содержание, теория, тесты и т.п.). Разработано описание типов данных - DTD CourseML - для каждой группы страниц и общее описание для всех групп.

5. Разработана система визуализации информационных объектов - XSL CourseML. Создан стандартный дизайн интерактивных курсов, управляющие Flash-модули и статические кнопки в меню и панелях. Созданы конфигурационные файлы для основных разновидностей интерактивных учебных курсов (в частности, CD- и Интернет-версии курсов).

6. Разработаны способы задания, хранения и визуализации сложных математических формул - технологии MetaTeX и MathML.

7. Разработаны инструментальные средства создания интерактивных компонентов, реализованные как библиотеки OBJava и Flacon. Разработаны стандартные активные элементы для каждой из библиотек, средства локализации ресурсов, конфигурационные файлы.

8. Разработана унифицированная технология создания интерактивных моделей на основе указанных библиотек.

9. Проведен анализ тестирующих систем. Сформулированы основные требования к системе в целом, контрольным работам и отдельным контрольным заданиям. Разработаны описания контрольных заданий различных типов. Разработана система проверки введенного пользователем ответа на основе оригинального способа оценивания знаний учащегося.

10. Разработаны сетевая и локальная версия журнала пользователя, позволяющие сохранять результаты тестирования. В сетевой версии проведено разделение между прав доступа между учителем и учеником. Сформулировано техническое задание и начата разработка тестирующего комплекса нового поколения (СоигэеМЬ 3).

11. Разработаны вспомогательные системы платформы (лупа для просмотра интерактивных моделей, поисковая система) и дополнительные инструментальные средства (сборщики текстов, описаний моделей и задач, редактор графических задач).

12. Создано подробное руководство пользователя по работе с курсом. Разработано подробное техническое описание модулей СоигэеМЬ для программистов и редакторов.

13. Унифицирована процедура сборки и тестирования интерактивных курсов на основе платформы СоигвеМЬ, созданы каталоги, базы данных, средства для публикации интерактивных моделей и всего курса в целом.

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

1. Виртуальные лаборатории по астрономии, математике, химии, биологии.

2. Более 200 интерактивных учебных моделей.

3. Курсы «Открытая Астрономия 2.0» и «Открытая Астрономия 2.5»

4. Курсы «Открытая Химия 2.0» и «Открытая Химия 2.5»

5. Курсы «Открытая Физика 2.5»

6. Курсы «Открытая Биология 2.5», «Открытая Математика 2.5. Функции и Графики», находящиеся в процессе тестирования.

7. Перечисленные в разделах 3-5 курсы сертифицированы Министерством образования и распространяются по учебным заведениям России.

В заключение хотелось бы выразить благодарность Н. Н. Соболевой, Ю. А. Флерову, О. С. Федько за постоянное внимание и поддержку при выполнении данной работы, коллективу Центра сетевых образовательных технологий и систем (СОТ&С) и сотрудникам компании «ФИЗИКОН» (В. Е. Братину, М. В. Богатыреву, Н. Н. Гомулиной, А. В. Матвеичеву,

140

С. А. Алешину, О. А. Касьянову, Е. И. Андреевой, Е. В. Толстову и другим) за помощь в раз работке основных принципов технологии и в выполнении программной части работы.

1. Д. Мамонтов. Применение сетевых технологий и систем удаленного авторизированного доступа для распределенного обучения в области естественных наук // Материалы XL1. Научной конференции МФТИ. Долгопрудный: МФТИ, 1999. 1 С.

2. Д. Мамонтов, Н. Гомулина. Разработка учебного компьютерного курса «Открытая Астрономия» // Материалы Международной астрономической конференции JEN AM. М.: 2000. С.197.

3. Д. Мамонтов. Интерактивный учебный курс «Открытая Астрономия» // Материалы XLIII Научной конференции МФТИ. Долгопрудный: МФТИ, 2000. 1 С.

4. Д. Мамонтов. Технология создания учебных интерактивных курсов // Материалы IX Международной школы-семинара «Новые информационные технологии». М.: МИЭМ, 2001. 2 С.

5. Коллектив авторов. Разработка концепции электронных учебников по образовательным областям. М.: 2002.

6. Н. Соболева, В. Зеленцов, Н. Гомулина и др. Открытая Химия 2.5 // CD-ROM. Долгопрудный: Физикон, 2002.

7. Н. Соболева, В. Брагин, Д. Мамонтов, Е. Андреева и др. Открытый Колледж. Долгопрудный: Физикон, 2002. http://www.college.ru.

8. Н. Соболева, А. Хасанов, Р. Ушаков и др. Открытая Математика 1.0. Планиметрия // CD-ROM. Долгопрудный: Физикон, 1998.

9. П. Жданович. Интерактивные системы для дистанционного обучения и компьютерного моделирования физических явлений. Долгопрудный: 1999.

10. Natanya Pitts-Moultis, Cheril Kirk. «XML Black Book». 1999.

11. Hypertext Markup Language. http://www.w3c.org/MarkUp.

12. Д. Кирсанов. «Веб-дизайн: книга Дмитрия Кирсанова». СПб: Символ-Плюс, 1999.

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

14. Extensible Stylesheet Language (XSL) Version 1.0, W3C Recommendation, October, 2001.http://www.w3 .org/TR/xsl.

15. Cascading Style Sheets, level 1. W3C Recommendation, http://www.w3.org/TR/REC-CSS 1

16. David Flanagan. Java in a Nutshell. O'Reilly, 1997.

17. Д. Грибов. Macromedia Flash 4. Интерактивная веб-анимация. M.: ДМК, 2000.

18. Д. Мамонтов. Принципы оценки знаний учащегося в интерактивных учебных курсах на примере системы CourseML // Управление и обработка информации: модели событий. Долгопрудный: МФТИ, 2001. С. 205-210.

19. Д. Мамонтов, Н. Гомулина. Технология создания и внедрения комплекса программно-педагогических и учебно-методических телекоммуникационных средств по астрономии // Материалы конференции ИТО-2001. М.: 2001. С. 18-21.

20. С. Алешин. Разработка учительского комплекса для серии образовательных курсов «Открытый Колледж» // Материалы XLV Научной конференции МФТИ. Долгопрудный: МФТИ, 2002.

21. Н. Соболева, В. Сурдин, Н. Гомулина, Д. Мамонтов, Т. Галкина и др. Открытая Астрономия 2.0 // CD-ROM. Долгопрудный: ФИЗИКОН, 2001.

22. Александр Завалишин. StarCalc 5.7. http://www.relex.m/-zalex/main 1251 .htm.

23. H. Соболева, H. Гомулина, В. Брагин, Д. Мамонтов, О. Касьянов. Электронный учебник нового поколения // Информатика и образование. М.: 6/2002. С. 67-76.

24. О. Касьянов, Д. Мамонтов, М. Богатырев. Образовательный портал «Открытый Колледж» // Телематика'2002. СПб: 2002. С. 82.

25. М. Богатырев, Д. Мамонтов. Платформа CourseML // Материалы конференции RELARN-2002. Нижний Новгород: 2002. С. 98-99.

26. Д. Мамонтов при участии М. Богатырева и О. Касьянова. Виртуальные лаборатории в образовательных интернет-проектах компании ФИЗИКОН // Материалы конференции RELARN-2002. Нижний Новгород: 2002. С. 107-108.

27. Н. Соболева, В. Брагин, Н. Гомулина, Д. Мамонтов, О. Касьянов, М. Богатырев. Образовательный портал компании ФИЗИКОН «Открытый Колледж» // Материалы конференции RELARN-2002. Нижний Новгород: 2002. С. 120-122.

28. Н. Соболева, В. Брагин, Д. Мамонтов, О. Касьянов. Анализ технологических аспектов создания современных электронных учебников // Материалы конференции «Современная образовательная среда». М.: 2002. 6 С.

29. Материалы единого государственного экзамена. http://vAvw.ege.ru.

30. Н. Соболева, С. Козел, В. Орлов, А. Кавтрев, Н. Гомулина и др. Открытая Физика 2.5 // CD-ROM// в двух частях. Долгопрудный: ФИЗИКОН, 2002.

31. Н. Соболева, Н. Гомулина, В. Сурдин, Д. Мамонтов и др. Открытая Астрономия 2.5 // CD-ROM. Долгопрудный: ФИЗИКОН, 2002.

32. Н. Соболева, В. Зеленцов и др. Открытая Химия 2.5 // CD-ROM. Долгопрудный: ФИЗИКОН, 2002.