Система автоматизированной разработки учебно-методических комплексов на основе многомерных логических регуляторов

Система автоматизированной разработки учебно-методических комплексов на основе многомерных логических регуляторов

авторы: Антипин А.Ф.

 

Разработка учебно-методических комплексов (УМК) – одна из наиболее сложных и трудоемких в учебном  процессе задач. Для ее решения в  Стерлитамакском филиале Уфимского государственного нефтяного технического университета разработана клиент-серверная CASE-система для автоматизации процессов обучения, тестирования и аттестации (Свид. о гос. регистр. прогр. для ЭВМ № 2009611933 и № 2009611934). Отличительной особенностью CASE-системы является принципиально новая реализация механизма тестирования на основе многомерного логического регулятора (МЛР) с переменными в виде совокупности аргументов двузначной логики [1] и минимизированным временем отклика. Структура и принцип работы серверного приложения Серверное приложение CASE-системы  предназначено для разработки структуры  УМК и аттестационных тестовых заданий  по различным учебным дисциплинам, для организации локального и  удаленного тестирования, регистрации  пользователей и групп, настройки  прав доступа и генерирования  сводных отчетов. В состав серверного приложения входят редактор структуры, редактор тестов и модуль администрирования. Редактор структуры предназначен для создания и редактирования структуры  УМК, со- держащей лекции, методические пособия, справочники, указания к выполнению лабораторных и практических работ, тесты и прочее в удобном для пользователей формате. Принцип работы редактора  структуры основан на создании и  редактировании проектных файлов, содержащих информацию о порядке расположения узлов и подузлов структуры и их параметры. Узел структуры в редакторе CASE-системы – это конкретная директория, которая должна быть расположена на клиентском компьютере, а под- узел – конкретный файл, который может быть расположен как на клиентском компьютере (например, файл, содержащий лекции, методические пособия, задания для практических и лабораторных работ), так и на сервере (например, файл, содержащий тест). Главной особенностью редактора  является графическое представление  структуры УМК в виде интуитивно-понятной схемы (рис. 1). Графические настройки редактора  позволяют масштабировать дерево структуры  внутри рабочей области, задействовать  эффект анимации и трехмерного представления  фигур, выбирать форму и цвет фигур  для отдельных элементов структуры. Кроме того, для защиты приватной  информации, такой как IP-адрес сервера, в редакторе структуры предусмотрен встроенный алгоритм шифрования параметров. Редактор тестов CASE-системы  предназначен для создания и редактирования тестов по различным учебным дисциплинам. Редактор поддерживает создание вопросов следующих типов: · 1 из N – наиболее распространенный тип вопросов, когда предлагается выбрать один вариант ответа из нескольких предложенных; · M из N – тип вопросов, в которых в отличие от типа 1 из N предлагается выбрать несколько  вариантов ответа; · открытый вопрос – ответы на него предлагается ввести с клавиатуры в специальное поле ввода; · вопрос на соответствие –  в качестве ответа предлагается установить соответствие между двумя столбцами  значений (левым и правым); · хронологический вопрос – предлагается упорядочить (расположить  в определенном порядке) список ответов. Кроме того, редактор позволяет  определить максимальное количество времени, необходимое для ответа как на отдельный вопрос, так и на тест в целом. Модуль администрирования  предназначен для регистрации пользователей и групп, настройки их прав доступа к материалам УМК, составления списка учебных дисциплин и генерирования отчетов о результатах обучения пользователей. Редактор отчетов, встроенный в модуль администрирования, позволяет  создавать различные виды отчетов  на основе шаблонов, разработанных  в формате файлов Microsoft Excel. Необходимо отметить, что  серверное приложение CASE-системы  – это один исполнительный файл, предназначенный для работы в  среде Microsoft Windows 2000 и выше, для корректной работы которого не требуется установка дополнительных программ, утилит и драйверов. Данное приложение является самодостаточным, несмотря на довольно небольшой для системы подобного уровня размер – 842 Кб. Принцип работы клиентского приложения Клиентское приложение CASE-системы  представляет собой открытый электронный  учебник с возможностью подключения  к серверному приложению для проведения тестирования, для загрузки обновлений, а также получения информации о результатах деятельности пользователей. Приложение-клиент не содержит учебных  материалов и предназначено только для работы с файлами, входящими  в состав структуры УМК, создаваемой  в редакторе структуры серверного приложения. Принцип работы приложения-клиента CASE-системы основан на работе с  локальными и удаленными файлами, входящими  в состав структуры УМК, а также  с таблицами БД сервера. Локальные материалы учебных дисциплин (лекции, задания для практических и лабораторных работ, методические пособия) располагаются на клиентском компьютере, и для доступа к  ним нет необходимости в подключении  к серверному приложению. Локальные  материалы представляют собой файлы, входящие в состав структуры конкретной учебной дисциплины, в удобном  для пользователей формате. Удаленные материалы учебных  дисциплин – это файлы таблиц тестов, расположенные на сервере, для  доступа к ним необходимо подключение  к серверу, которое устанавливается  автоматически при выборе учебной  дисциплины. МЛР с четкими термами  в структуре CASE-системы Необходимость минимизации  времени отклика серверного приложения CASE-системы обусловлена ограниченным временем ответов как на отдельные вопросы, так и на тест в целом, а также обработкой достаточного большого количества SQL-запросов от клиентских приложений CASE-системы во время тестирования группы пользователей. Замена системы типовых  продукционных правил (ТПР) на МЛР, представляющий собой основу механизма тестирования CASE-системы, позволила не только минимизировать время отклика серверного приложения, но и производить гибкую оценку ответов пользователей. Минимизация времени отклика серверного приложения CASE-системы достигается за счет того, что в МЛР блок логического вывода представлен в виде системы управляющих воздействий с механизмом формирования идентификационных номеров продукционных правил [2], что позволяет в каждом цикле сканирования определить только истинное правило, антецедент которого равен логической единице, а не обрабатывать ТПР целиком. Данное утверждение также опирается на тот факт, что любая переменная в каждый момент t может иметь одно и только одно четкое значение, находящееся внутри отрезка универсальной числовой оси, покрываемого соответствующим четким термом, значение которого в рассматриваемый момент равно логической единице. Кроме того, используемый в  МЛР STEP-TIME алгоритм фаззификации [1, 2] позволяет более чем в два раза сократить число операций сравнения и тем самым снизить нагрузку на вычислительный процессор. На рисунке 2 представлена упрощенная структурная схема МЛР  с n входными и k выходными переменными X и Z соответственно, а на рисунке 3 –  упрощенная структурная схема механизма  оценки серверного приложения CASE-системы, основанного на МЛР. Входные переменные ответ на вопрос № 1÷ответ на вопрос № n представляют собой совокупность ответов на вопросы 1÷n, где n – количество вопросов в тесте, четкие термы которых  обозначают варианты ответов; выходная переменная оценка за тест – это  итоговая оценка за тест в целом. Кроме того, в редакторе  тестов CASE-системы для вопросов типа 1 из N возможны разные варианты ответов  для оценки разным числом баллов, что  позволяет адекватно оценивать  ответы, наиболее близкие к правильным. Для вопросов типов M из N, открытый вопрос, вопрос на соответствие, хронологический вопрос также имеется возможность гибкой оценки отдельных ответов из всей совокупности вариантов. Проведем вычислительный эксперимент и количественную оценку минимизации времени, необходимого для обработки результатов серверным  приложением, при использовании  МЛР вместо ТПР в качестве основы для механизма тестирования CASE-системы. В таблице показано распределение максимального числа продукционных правил R ТПР и МЛР в зависимости от суммарного числа четких термов K, где X1, X2 и Z1, Z2 – входные и выходные переменные МЛР соответственно. Количество четких термов переменных K Максимальное количество продукционных правил R ΔR, % X1 X2 Z1 Z2 ТПР МЛР ΔR 3 3 3 3 256 82 174 67,97 4 4 4 4 625 257 368 58,88 5 5 5 5 1296 626 670 51,70 6 6 6 6 2401 1297 1104 45,98 7 7 7 7 4096 2402 1694 41,36 8 8 8 8 6561 4097 2464 37,56 9 9 9 9 10000 6562 3438 34,38 Разница между максимальным числом продукционных правил R МЛР  и ТПР рассчитывается следующим  образом: DR=RТПР–RМЛР. Процент сокращения максимального  числа продукционных правил МЛР  ΔR можно вычислить так: . График зависимости максимального  числа продукционных правил R от количества вопросов Q в тесте серверного приложения CASE-системы при использовании  ТПР и МЛР представлен на рисунке 4 (вопросы в тесте имеют в  среднем по 4 варианта ответов). Таким образом, использование  МЛР в качестве основы для механизма  тестирования CASE-системы для автоматизации  процессов обучения, тестирования и  аттестации позволило сократить  максимальное число продукционных  правил и, как следствие, повысить быстродействие серверного и клиентского приложений в среднем на 47 %. Литература 1. Муравьева Е.А., Антипин  А.Ф. Многомерный дискретно-логический  регулятор расхода воздуха парового  котла с минимизацией времени  отклика // Вестн. УГАТУ. Сер. Управление, вычислительная техника и информатика. 2009. Т. 13. № 2 (35). С. 83–87. 2. Антипин А.Ф. Сравнительный  анализ быстродействия дискретно-логического  регулятора // Программные продукты  и системы. 2010. № 1 (89). С. 75–77.

 

 

СТРУКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОГО

КОМПЛЕКСА ПО ТЕХНИЧЕСКИМ  ДИСЦИПЛИНАМ 

                                         

В.М. Дмитриев, 

 

Томский государственный  университет систем 

управления и радиоэлектроники

пр. Ленина, 40, Томск, Россия, 634050

 

 

И.В. Дмитриев

 

 

Государственное образовательное  учреждение “Школьный университет” 

Томский государственный  университет систем 

управления и радиоэлектроники

пр. Ленина, 40, Томск, Россия, 634050

 

 

В статье поставлена и решается задача автоматизации и информатизации процесса

обучения студентов на основе  введенных  системно-организационных  форм, получивших

в совокупности название учебно-методических комплексов по дисциплине (УМКД).

Ключевые слова: дидактические  единицы, обучение, студент, учебно-методический

комплекс дисциплины, информационные технологии.

 

 

 

Введение.  Использование  информационных  технологий  в  системе  образования 

способствовалo  созданию  "компьютерной  методологии обучения",  которая

ориентирована  на  применение  в учебном процессе  таких методов,  как компьютерное

моделирование  учебно-познавательной  деятельности,  метод  информирования,

программирование  учебной  деятельности,  ассоциативный  метод,  метод  тестирования,

игровой  метод  активного  обучения,  метод  проектов,  метод "не  поставленных  задач",

метод  ситуационного  моделирования  и  др.  Одной  из  актуальных  задач  автоматизации 

процесса  обучения  по  техническим  дисциплинам  в  высших  и средних специальных

учебных  заведениях  России  является  введение  системно-организационных форм,

получивших  в  совокупности  название  учебно-методических  комплексов  по  дисциплине

(УМКД).  Сам  по  себе  такой  нормативно-технический   документ  как  УМКД  является 

  1

продуктом  Российской  системы  образования  и  установлен  приказом  министерства

образования.

Целью  исследования  является  разработка  программного  обеспечения  в  виде

автоматизированного  учебно-методического  комплекса (АУМК),  обеспечивающего 

основные  дидактические  единицы  по  различным  техническим  дисциплинам  на  основе 

авторских (полностью  Российских)  разработок,  базирующихся  на  многолетних

исследованиях в данной области.  При этом разрабатываемый комплекс должен позволять

преподавателю автоматически  формировать и редактировать  содержание того или иного 

курса,  а  также  обеспечивать  его  всеми  необходимыми  для  создания  новых  курсов

программно-инструментальными  средствами.  Студенту  он  призван  помочь  оперативно

выполнять  практические  и  лабораторные  занятия,  самостоятельную  работу,  а  также 

курсовое  и  дипломное  проектирование  в  специализированных  расчетно-моделирующих

средах. Исследование актуально, поскольку потребности в комплексах АУМК в системе

высшего и среднего специального образования России, где имеется  несколько сотен вузов 

и ссузов технической направленности, очень высоки. Количество студентов технических

специальностей, которым  необходимо предоставить лицензионные версии программных 

продуктов  и  обучающих  систем  составляет  порядка 250-300 тысяч.  Если  рассмотреть 

возможность замены зарубежных программных продуктов на лицензионные российские

продукты,  поставляемы  как  свободное  программное  обеспечение,  то  задача  становится

актуальной вдвойне.

Дидактические единицы, являясь  общими для большинства технических  дисциплин,

поддерживаются  в  представляемом  АУМК  следующими  уникальными программными

продуктами, разработанными и  разрабатываемыми авторами данного  проекта: оболочка

электронного  учебника,  в  которой  отображается  электронный материал  дидактических

единиц АУМК, набранный в формате гипертекстовых документов. 

Особенностями данной оболочки является: 

- наличие защиты от  копирования материалов, написанных  в электронном учебнике;

-  система  компьютерного   моделирования  технических   объектов  МАРС [7],

позволяющая  выполнять различные компьютерные  эксперименты  над виртуальными

аналогами  физически  неоднородных  технических  объектов.  Для  этих  целей  система 

МАРС  оснащена  многослойным  редактором [10], позволяющим  формировать  модель

исследуемого технического объекта и виртуальные измерительные  приборы и стенды, а

также алгоритмы их взаимодействия на различных слоях данного редактора, что делает

компьютерный эксперимент  максимально приближенным к реальному;

  2

-  система  автоматизации   математических  вычислений «Макрокалькулятор» [8],

предназначенная  для выполнения  компьютерных  расчетов  математических  выражений,

необходимых  при  решении  задач  технических  курсов,  а  также  вычислений,

сопровождающих  лабораторные  исследования  при  выполнении  работ  из  виртуальной

лаборатории. 

На данный момент преподавание технических дисциплин ведется  на базе импортных 

расчетно-моделирующих систем типа Mathcad,  Matlab и LabVIEW. Данный подход имеет

две существенные проблемы: требует механического соединения всех подсистем в рамках

единого  комплекса,  что  связано  с  проблемами  их  согласования  и  освоения  как 

преподавателями, так и  студентами, а кроме того, требует  серьезных финансовых затрат

при  приобретении  лицензий.  Применение  собственных  импортозамещающих

программных  продуктов  позволит  получить  единую  интегрированную  систему,

сэкономить  многомиллионные  затраты  на  современные  технологии  образования  как  со

стороны  государства,  так  и  со  стороны  учащихся.  Вопросы  технической  поддержки  и 

обновления системы также  решаются более мобильно и в соответствии с требованиями

российского образования.

 

Структура и состав АУМК

 

1.  Функциональная схема  АУМК 

 

Автоматизированный  учебно-методический  комплекс (АУМК) – программная

система,  предназначенная  для  автоматизации  процесса  обучения  по  различным

техническим дисциплинам  различных форм обучения [1] и базирующаяся на документах

УМК по дисциплине. 

АУМК направлен на полную или частичную автоматизацию традиционных форм

проведения занятий и  форм контроля знаний, составляющих цикл освоения технических 

дисциплин в вузах и  состоит из следующих блоков и  межблочных связей (рис. 1): 

-  входного  интерфейса (F),  позволяющего  работать  с   основными  структурными

единицами  АУМК  и  содержащего  документы,  регламентирующие  учебный процесс по

дисциплине в целом  и каждую дидактическую единицу  в отдельности;

-  ресурсов (R),  представляющих  собой  текстовый  и  графический   материал  в

электронном виде;

- уче бных модулей (М), предназначенных для автоматизации дидактических единиц

и контроля знаний студентов  при аудиторных компьютеризированных занятиях; 

  3

-  инструментария  (I),  позволяющего  в  автоматизированном  режиме  выполнять  те 

или иные задания, полученные на разных стадиях обучения;

- внешних  связей (V),  предназначенных  для  связи   обучаемого  с электронными

вариантами  различных  материалов  и  электронными  библиотеками  с  необходимой

литературой;

- системы  управления  ресурсами (SBD),  позволяющей   структурировать  данные  в

виде базы данных, используемых в учебных модулях АУМК. 

2. Нормативные документы  АУМК 

Карта учебно-методического  комплекса по дисциплине (карта УМКД) – документ,

структурирующий АУМК под определенную дисциплину с указанием того, какие виды

занятий,  самостоятельной  работы,  текущего  или  итогового  контроля  предполагается

проводить по данной дисциплине и в какой форме они будут проводиться.

Выписка  из  ГОСа (государственного  образовательного  стандарта)  – стандарт,

устанавливающий  подлежащие  освоению  темы  в рамках  данной  дисциплины  и общее

количество часов, затрачиваемое  на данную дисциплину.

 

  4

  Рабочая программа  (РП) по дисциплине формируется   преподавателем дисциплины 

на основе выписки из ГОСа и карты УМКД. В ней общее количество часов, отведенное на

дисциплину,  расписывается  по  конкретным  дидактическим  единицам,  а  также 

производятся  и  согласуются  с  часами  темы  лекционных,  практических  занятий,

лабораторных  работ,  формы  промежуточной  и  итоговой  отчетности  студента  в  каждом

семестре данной дисциплины. 

Лекции

Практические занятия

Лабораторная работа

Курсовые работы и проекты

Зачет

Экзамен

Самостоятельная работа студента

Коллоквиум

Контрольная работа

Рис.1. Архитектура автоматизированного  учебно-методического комплекса 

 

 

  5

3.  Информационные ресурсы  АУМК 

К информационным ресурсам АУМК относятся:

•  Курс лекций, содержащий основные теоретические положения  указанных в ГОСе

тем, подкрепленные примерами  выполнения тех или иных расчетных  или практических

действий.

•  Набор  задач,  представляющий  собой  совокупность  задач,  согласованных  с

разделами курса лекций и  предназначенных для решения  в рамках практических занятий,

самостоятельной  работы  студентов,  а  также  для  текущего  и  итогового  контроля  их

знаний.

•  Примеры  решения  задач,  демонстрирующие  основные  методики  расчетов

технических объектов, необходимые  для освоения тем данной дисциплины.

•  Контрольные  вопросы  структурированы  согласно  разделам  курса  лекций  и 

предназначены для проверки теоретических знаний студентов, полученных в результате

изучения  курса  лекций.  Они  применяются  для  допускового  контроля  при  выполнении

лабораторной работы, а  также для текущего и итогового  контроля знаний в виде зачета.

•  Вопросы  для  экзамена  формируются  с  учетом  всего  материала,  изученного

студентами в рамках данной дисциплины, либо за данный семестр, и  используются для

проведения итогового  контроля знаний в виде экзамена.

•  Библиотека  графических  образов  представляет  собой  совокупность

топологических схем (T), выполненных  в виде рисунков для объяснения теоретического

материала  электронного  учебника,  и  графических  схем (G),  выполненных  в  виде

документов среды моделирования.

•  Методические  указания  к  лабораторным  работам  регламентируют  порядок 

проведения лабораторных исследований и сопровождающих математических вычислений.