Информационная система мониторинга формирования знаний и компетенций студентов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к дипломному проекту на тему:

Информационная система мониторинга формирования знаний и компетенций студентов

РЕФЕРАТ

Дипломный проект.

Пояснительная записка: 135 с., 26 рис., 15 табл., 13 источников, 4 приложения.

Графическая документация: 12л. А4

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА, КОМПЕТЕНЦИИ, ЗНАНИЯ, ФОРМИРОВАНИЕ ЗНАНИЙ, ФОРМИРОВАНИЕ КОМПЕТЕНЦИЙ, МОНИТОРИНГ.

Объектом проектирования является автоматизированная система мониторинга формирования знаний и компетенций студентов.

Цель работы - создание опытного образца системы для факультета информационных систем и технологий СГАСУ. С возможностью хранения данных, таких как списки знаний, компетенций, дисциплин, семестров, групп, студентов и журнал оценок. С учетом всех необходимых условий для вывода точного отчета по успеваемости, компетенции и знаниям студента в виде таблицы и графика.

Для реализации поставленной цели были разработаны авторизация пользователей, ведение справочников, ведение журнала преподавателя, вывод табличных и графических отчетов.

В результате была создана АИС, реализующая ведение справочников, журнала преподавателя и формирование графических и табличных отчетов.

В систему успешно внесены несколько групп обучавшихся на ФИСТ СГАСУ. По их оценкам проведено исследование.

ВВЕДЕНИЕ

знание дисциплина семестр студент

Современное развитие российского общества неотъемлемо связано не только с модернизацией экономики, созданием и внедрением передовых технологий, но и с построением новой образовательной парадигмы - «компетентностный подход»[1]. Данное направление в развитии образования является актуальным, так как общество в большей степени заинтересованно в развитии институтов, обеспечивающих высокий уровень подготовки кадров (и личности в целом) для выполнения своих функций: способность к самостоятельным активным действиям, анализу ситуаций и принятию решений в постоянно изменяющихся условиях.

В научной философии и педагогике не только глубоко и всесторонне раскрыты те факторы и условия, под влиянием которых формируется личность, но и показаны взаимосвязь и механизмы воздействия этих факторов на ее развитие. Человек в своей профессиональной деятельности создает общественную среду и богатство социальных и духовных отношений, которые и служат определяющим источником его личностного развития. Указывая на определяющую роль внешних, средовых влияний на развитие и формирование личности, ученые не абстрагируются от природы человека. Это связано с тем, что он наделен природными силами, задатками и способностями, которые не могут оказывать влияния на социальное развитие человека (его формирования как личности).

Привлекательность компетентностного подхода заключается в том, что он имеет очень практическую и очень практичную философию и направленность. В его рамках конечная цель всякого обучения состоит в том, чтобы человек освоил такие формы поведения, и приобрел такой набор знаний, умений и личностных характеристик, который позволит ему успешно осуществлять ту деятельность, которой он планирует заниматься, то есть - овладел набором необходимых для этого компетенций.

Иными словами, обучающийся должен не только получить некий массив знаний и отработать совокупность умений - по завершении обучения он должен мочь и хотеть делать то, ради чего все обучение и затевалось. Понятно, что разница между двумя этими итогами огромна.

Таким образом, в рамках компетентностного подхода образование и обучение становится комплексным, многофакторным. Учащимся передаются не только знания и навыки - и не всякие знания и навыки, а лишь те, которые нужны для развития необходимых компетенций. Ведется также психологическая подготовка, формируются нужные установки, развиваются определенные личностные качества, нарабатываются конкретные алгоритмы эффективной деятельности.

1 СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Описание и системный анализ эволюции предметной области

В 2007 году Мировой экономический форум опубликовал рейтинг образовательных систем 125 стран мира. Рейтинг показывает подготовленность страны к экономике будущего, общее качество системы образования, а также уровень преподавания естественных наук. России в списке передовиков нет. Основной причиной отставания нашей системы образования является неумение применять знания, полученные при изучении дисциплин. Современная педагогическая наука сформулировала это как неумение наших ВУЗов формировать компетенции у студентов.

Модернизация образования - это обеспечение его соответствия запросам и возможностям общества. Система образования должна адекватно реагировать на изменения в обществе и новые запросы [2].

Главные изменения в обществе:

- ускорение темпов развития общества. По прошествии каждых 10 лет 100% наших нынешних знаний будут составлять лишь 10% будущих знаний. Раз в 5 лет обновляются технологии. В результате преподаватели университета должны готовить своих выпускников к жизни, о которой они сами мало что знают. Абитуриенты, которые сейчас пришли учиться в ВУЗ, будут работать вплоть до 2060 года! Каким будет тогда мир, предсказать невозможно. Поэтому ВУЗ должен готовить своих выпускников к переменам, развивая у них такие качества как мобильность, динамизм, конструктивность.

- развитие процессов информатизации. Созданы условия для неограниченного доступа к информации.

Понятийный аппарат, характеризующий смысл компетентностного подхода в образовании, ещё не устоялся. Тем не менее, можно выделить некоторые существенные черты этого подхода. 

Компетентностный подход -- это совокупность общих принципов определения целей образования, отбора содержания образования, организации образовательного процесса и оценки образовательных результатов. К числу таких принципов относятся следующие положения:

- смысл образования заключается в развитии у обучаемых способности самостоятельно решать проблемы в различных сферах и видах деятельности на основе использования социального опыта, элементом которого является и собственный опыт учащихся;

- содержание образования представляет собой дидактически адаптированный социальный опыт решения познавательных, мировоззренческих, нравственных, политических и иных проблем;

-смысл организации образовательного процесса заключается в создании условий для формирования у обучаемых опыта самостоятельного решения познавательных, коммуникативных, организационных, нравственных и иных проблем, составляющих содержание образования;

- оценка образовательных результатов основывается на анализе уровней образованности, достигнутых учащимися на определённом этапе обучения;

Содержание профессиональных компетенций в свете научных подходов к определению понятия «компетенция» формируется под влиянием внешних и внутренних факторов:

- социального заказа территориального рынка труда;

- требований государственного образовательного стандарта к квалификации специалиста, базой для которого выступают нормативно-правовые документы, относящиеся к административному регулированию;

- требований работодателей к профессиональной квалификации в части способностей выпускника;

- составляющих технологии (технологической, методической, организационной);

- деятельности преподавателя и студента.

Базовый уровень сформированности профессиональных компетенций является минимальным показателем и основой для дальнейшего приращения и обогащения профессиональной компетенции. Продуктивный уровень будем считать следующей ступенью, на которую приходит студент в процессе развития профессиональных компетенций - средний показатель. И как высокий показатель выступает творческий уровень сформированности профессиональных компетенций.

- деятельность, носящая репродуктивный характер, отличаются тем, что при ее реализации студенты пользуются подробными инструкциями, в которых указаны: цель работы, пояснения (теория, основные характеристики), средства и методы достижения поставленной цели, порядок реализации.

- деятельность, носящая частично-поисковый характер, отличается тем, что при ее реализации студенты не пользуются подробными инструкциями, им не дан порядок выполнения необходимых действий, и требуют от студентов самостоятельного подбора средств и методов выполнения действий в инструктивной и справочной литературе и др.

- деятельность, носящая поисковый характер, характеризуется тем, что студенты должны решить новую для них проблему, опираясь на имеющиеся у них теоретические знания.

Таким образом, достижение результата на базовом, продуктивном и творческом уровне должно обеспечиваться за счет понимания и принятия субъектами образовательного процесса целей деятельности, требований к промежуточным и конечным результатам.

Также играет значительную роль в поддержании уровня образования студента в современном вузе Федеральные Государственные Образовательные Стандарты.

Они представляют собой совокупность требований, обязательных при реализации основных образовательных программ начального общего, основного общего, среднего (полного) общего, начального профессионального, среднего профессионального и высшего профессионального образования образовательными учреждениями, имеющими государственную аккредитацию.

Их разработка осуществлялась в соответствии с Комплексом мероприятий по реализации Приоритетных направлений развития системы образования Российской Федерации на период до 2010 года и Планом мероприятий по реализации положений Болонской декларации в системе высшего профессионального образования Российской Федерации на 2005 - 2010 годы [3].

Уникальность дипломной работы заключается в мониторинге формирования знаний и компетенций. На уровне автоматизированной информационной системы находящейся на сервере в сети Internet. Со своими пользователями, у которых есть специальные права доступа, позволяющие им менять журналы и формировать отчеты.

Работа системы заключается в ведении статистики по заранее введенным преподавателями и секретарем оценками студентов по конкретным предметам по окончании семестра (в конце сессии). Результат которой являются табличные и графические (в виде графиков и диаграмм) отчеты. По семестрам, по группам, по студентам с возможностью печати.

Система вычисляет среднее число по оценкам студента за все предметы (по формуле) относящихся к конкретной компетенции и знанию (ФГОС). Данная операция проводится по всем компетенциям и знаниям. И по запросу пользователя с правом доступа формируются отчеты. То есть, поддерживая учет оценок за все время обучения можно проанализировать профессионализм студента после выпуска его из вуза.

Для данной задачи был разработана математическая модель, которая позволяет учитывать все особенности и нюансы разработанный системы. Рассмотрим разработанную математическую модель:

,

- реальная оценка студента по предмету, где i=1,…i;

- идеальная оценка студента по предмету, где j=1,…j.

Реальная оценка студента по предмету - оценка студента полученная за данный предмет по окончанию семестра.

Под идеальной оценкой студента понимается максимальная оценка студента по предмету.

1.2 Обзор существующих систем мониторинга формирования знаний и компетенций студентов

Большое количество статей и работ по теме учета компетенций дает понять что тема мониторинга учета компетенций в наше время является актуальной и востребованной [4]. На предприятиях и в фирмах этому стали уделять большое количество времени. Но как показал поиск в интернете по общим компетенциям - программ аналогичных теме дипломной работе не существует, т.е. дипломная работа является уникальной в своем роде.

ОК-1 - владение культурой мышления, способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения, умение логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь.

ОК-2 - готовность к кооперации с коллегами, работе в коллективе; знание принципов и методы организации и управления малыми коллективами; способность находить организационно-управленческие решения в не стандартных ситуациях и готов нести за них ответственность.

ОК-3 - понимание социальной значимости своей будущей профессии, обладание высокой мотивацией к выполнению профессиональной деятельности.

ОК-4 - способность научно анализировать социально значимые проблемы и процессы, умение использовать на практике методы гуманитарных, экологических, социальных и экономических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности.

ОК-5 - умение применять методы и средства познания, обучения и самоконтроля для интеллектуального развития, повышения культурного уровня, профессиональной компетенции, сохранения своего здоровья, нравственного и физического самосовершенствования.

ОК-6 - владение широкой общей подготовкой (базовыми знаниями) для решения практических задач в области информационных систем и технологий.

ОК-7 - умение критически оценивать свои достоинства и недостатки, наметить пути и выбрать средства развития достоинств и устранения недостатков.

ОК-8 - осознание значения гуманистических ценностей для сохранения и развития современной цивилизации; готовность принять нравственные обязанности по отношению к окружающей природе, обществу, другим людям и самому себе.

ОК-9 - знание свои прав и обязанностей как гражданина своей страны; использование действующего законодательства, другие правовые документы в своей деятельности; демонстрация готовности и стремления к совершенствованию и развитию общества на принципах гуманизма, свободы и демократии.

ОК-10 - готовность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования.

ОК-11 - способность к письменной, устной и электронной коммуникации на государственном языке и необходимое знание иностранного языка (хороший английский язык).

ОК-12 - владение основными методами защиты производственного персонала и населения от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий.

ОК-13 - владеет средствами самостоятельного, методически правильного использования методов физического воспитания и укрепления здоровья, готов к достижению должного уровня физической подготовленности для обеспечения полноценной социальной и профессиональной деятельности.

1.3 Обоснование класса проектируемой системы

Разработанная система относится к классу автоматизированных информационных систем, так как она позволяет:

- Вести справочники;

- Вести мониторинг успеваемости, компетенций и знаний студентов;

- Формировать отчеты.

1.4 Цели проектирования

Разработка автоматизированной информационной системы, которая реализует:

1) ведение справочной информации:

- предметов;

- оценок;

- студентов;

- групп;

- семестров.

2) ввод и редактирования исходных данных:

- предметов;

- ФГОСов

- компетенций;

3) авторизация пользователя, определение его прав и настройка интерфейса;

4) вывод отчета об успеваемости, компетентности и знаниям студентов по группам, семестру и каждому студенту в целом.

1.5 Используемые средства разработки

1.5.1 Краткое описание методологии UML

Унифицированный язык моделирования (UML) является стандартным инструментом для создания "чертежей" программного обеспечения. С помощью UML можно визуализировать, специфицировать, конструировать и документировать артефакты программных систем [5].

UML подходит для моделирования любых систем: от информационных систем масштаба предприятия до распределенных Web-приложений и даже встроенных систем реального времени. Это очень выразительный язык, позволяющий рассмотреть систему со всех точек зрения, имеющих отношение к ее разработке и последующему развертыванию. Несмотря на обилие выразительных возможностей, этот язык прост для понимания и использования. Изучение UML удобнее всего начать с его концептуальной модели, которая включает в себя три основных элемента: базовые строительные блоки, правила, определяющие, как эти блоки могут сочетаться между собой, и некоторые общие механизмы языка.

Несмотря на свои достоинства, UML - это всего лишь язык; он является одной из составляющих процесса разработки программного обеспечения, и не более того. Хотя UML не зависит от моделируемой реальности, лучше всего применять его, когда процесс моделирования основан на рассмотрении прецедентов использования, является итеративным и пошаговым, а сама система имеет четко выраженную архитектуру.

UML предназначен для описания, визуализации и документирования объектно-ориентированных систем и бизнес-процессов с ориентацией на их последующую реализацию в виде программного обеспечения.

1.6 Разработка модели анализа

При использовании методологии UML для создания программного и информационного обеспечения, необходимо построить набор взаимосвязанных моделей, отражающих статические и динамические свойства будущей системы:

- модель вариантов использования;

- модель анализа;

- модель проектирования;

- модель развертывания;

- модель реализации.

Модель анализа включает в себя диаграммы обобщенных классов реализации вариантов использования на логическом уровне, соответствующие диаграммы последовательностей и/или диаграммы кооперации и является эскизной проработкой того, как будут реализованы варианты использования на логическом уровне. Она строится на этапе разработки концепции информационной системы.

1.6.1 Диаграмма вариантов использования

Диаграмма вариантов использования описывает функциональное назначение системы. Проектируемая система представляется в виде множества сущностей и актантов взаимодействие которых с системой отображается в виде взаимосвязанных вариантов использования.

Диаграмма вариантов использования разрабатываемой системы представлена на рисунке 1. Система содержит 3 актанта: преподаватель, заведующий кафедрой и секретарь. Каждый может войти в систему. У преподавателя есть возможность вводить и редактировать информацию. Заведующий кафедрой может формировать отчеты. Секретарь обладает правами вести справочную информацию: добавлять, редактировать и удалять сведения справочников, а так же формировать отчеты в табличном и графическом стиле как и заведующий кафедры.

Рисунок 1- Диаграмма вариантов использования

1.6.2 Сценарии вариантов использования

Сценарий - текстовое описание последовательности действий, необходимых для выполнения экземпляра варианта использования. Сценарий пишется по определённому шаблону. При создании сценариев тщательно прорабатывается интерфейс системы, и учитываются отношения между вариантами использования. Для абстрактных вариантов использования, являющихся обобщениями конкретных вариантов, сценарии обычно не пишут. Сценарии вариантов использования для программного комплекса представлены ниже.

Вариант использования: Вход в систему.

Краткое описание: Дает возможность пользователю авторизоваться с последующей работой в системе.

Актант: Пользователь.

Предусловие: Компьютер пользователя включен, программа запущена. На экране - окно авторизации пользователя.

Основной поток событий:

1. В окне авторизации пользователь вводит свой логин и пароль.

2. Система проверяет по базе данных введенные данные и открывает главное окно приложения, настроенное на правах конкретного пользователя.

Вариант использования успешно завершен.

А1: Пользователь ввел неверные данные.

Раздел альтернатив:

А1: Пользователь ввел неверные данные.

А1.1. Система выдает сообщение «Вы ввели неверный логин/пароль. Повторите попытку.» с кнопкой «ок»

А1.2 Пользователь просматривает сообщение и нажимает кнопку «ок».

А3. Система закрывает сообщение и устанавливает курсор в неправильно заполненном поле.

Вариант использования: Ввод и редактирование предметов.

Актант: Секретарь.

Предусловия: Выполнен вариант использования «Вход в систему»

на экране - главное окно приложение настроенное на права секретаря.

Основной поток событий:

1. По двойному щелчку секретаря по кнопке «Справочники» система открывает форму со ссылками на списки групп, семестров, студентов и предметов, ФГОСов, с оценками и кнопками добавить, изменить и удалить.

2. Секретарь выбирает список предметов с оценками.

3. Нажимает кнопку «добавить».

4. Открывается окно добавления предметов.

5. Актант вписывает необходимый ему предмет.

Выбирает связи предмета с ФГОС и компетенциями (если есть таковые) и нажимает кнопку добавить.

А1: Операция изменения.

9. Секретарь выбирает Список предметов.

10. В нем, нажатием левой кнопки мыши он нажимает кнопку «Редактировать» напротив выбранного им предмета. Меняет связи с ФГОС и компетенциями (если есть таковые) и изменяет название предмета. Нажимает на кнопку изменить.

А2: Операция удаления.

11. Секретарь выбирает Список предметов.

12. В нем он выбирает нужный предмет и напротив предмета нажимает кнопку удалить

13. Программа спрашивает в новом окне «Действительно ли вы хотите удалить выбранный предмет» актант нажимает кнопку «ОК»

А3: Выход.

А3.1. Актант нажимает кнопку выход

1.6.3 Диаграммы классов

Класс - описание множества объектов, обладающих общими атрибутами, операциями, отношениями и поведением. Класс является результатом операции обобщения. Поэтому класс - всегда абстрактное понятие. Задание конкретных значений атрибутов и определяет экземпляр класса - объект, обладающий конкретным поведением. Объект может появляться во всех отношениях класса и всех его предков.

Класс имеет имя, списки атрибутов, операций или методов.

Операция - спецификация (описание) результата преобразования или запроса, которые должен выполнить вызываемый объект. Имеет имя и список параметров.

Метод - процедура, непосредственно реализующая операцию; у нее есть алгоритм и описание процедуры. Обычно метод задаётся на физическом уровне представления класса в модели проектирования, когда уже выбран алгоритм и способ его реализации.

Атрибуты класса - свойства или характеристики данного класса, которые могут принимать только одно значение из некоторого множества значений определенного типа.

Классы могут находиться между собой в различных отношениях (связях). Базовыми отношениями являются:

- отношения зависимости;

- отношения ассоциации;

- отношения обобщения;

- отношения реализации.

Классы по своей роли в системе делятся на группы:

- сущностные классы: объекты этих классов представляют собой блоки длительно хранимой информации, используемые для организации баз данных и знаний, файловых систем хранения данных различной логической структуры; в основном в этих классах развит атрибутный раздел, однако имеется небольшое число операций контроля ограничений целостности, как стандартных, так и специфичных для данной предметной области. Диаграмма сущностных классов представлена на рисунке 2.

- граничные классы: объекты этих классов реализуют интерфейсы системы с внешней средой и различными пользователями. Диаграмма граничных классов представлена на рисунке 3.

- классы управления: объекты этих классов являются активными, берущими на себя управление и организацию вычислительных процессов; чаще всего это стандартные компоненты операционных систем и систем управления базами данных (СУБД), таймеры, координаторы и т.п. Диаграмма классов управления представлена на рисунке 4.

- классы прикладной логики: объекты этих классов реализуют основную логику решения задач приложения; обычно это отдельные программные или аппаратные модули, осуществляющие сложные расчеты, решение оптимизационных задач и т.п.

Список таблиц с пояснением:

- Таблица семестр. В таблице семестр находится список всех семестров которые были с момента начала учета формирования знаний и компетенций студентов.

- Таблица группа. В таблице групп находится список всех групп студентов с момента запуска программы и начала учета формирований знаний и компетенций студентов.

- Таблица предмет. В таблице предметов находится список всех предметов которым обучаются студенты бакалавры с первого курса до конца обучения.

- Таблица студент. В таблице студентов находится список студентов с начала и до окончания обучения. С момента начала учета формирования знаний и компетенций студентов.

- Таблица компетенции. В таблице компетенций находится список всех компетенций студентов бакалавров с подробным описанием каждой компетенции.

- Таблица ФГОСы. В таблице ФГОСы находится список всех знаний студентов-бакалавров на все время обучения с момента начала учета формирования знаний и компетенций студентов.

Рисунок 2 - Диаграмма сущностных классов.

В диаграмме граничных классов указаны таблицы интерфейса пользователей и их возможности (права) работы с системой.



Рисунок 3 - Диаграмма граничных классов.

Рисунок 4 - Диаграмма классов управления

Диаграмма состояний (statechart diagram)

Диаграмма состояний описывает процесс изменения состояний одного или нескольких экземпляров классов, т.е. моделирует все возможные изменения в состоянии конкретного объекта, которые вызваны внешними воздействиями со стороны других объектов или извне. Диаграмма состояний представляет динамическое поведение сущностей на основе спецификации их реакции на восприятие некоторых конкретных событий. Главное назначения этой диаграммы - описать возможные последовательности состояний и переходов, которые в совокупности характеризуют поведение элемента модели в течении его жизненного цикла.

Диаграмма состояний для системы представлена на рисунке 5.



Рисунок 5 - Диаграмма состояний

1.7 Разработка логической структуры базы данных

1.7.1 Уровни представления данных

Данные - вид информационного ресурса, отличающийся высокой степенью форматированности данных, в отличие от более свободных структур, характерных для речевой, текстовой и визуальной информации.

Существует три уровня представления данных:

1-й уровень - концептуальный, связан с частным представлением данных группы пользователей в виде внешней схемы, объединяемых общностью используемой информации.

2-й уровень - логический, является обобщенным представлением данных всех пользователей в абстрактной форме. Используется три вида моделей: иерархические, сетевые и реляционные.

3-й уровень - физический (внутренний), связан со способом фактического хранения данных в физической памяти ЭВМ.

Термин «база данных» (БД) обозначает способ организации данных, и в отличие от другого способа, файловых структур, БД содержит не только сами данные, но и их описания, а также связи между ними.

БД используются обычно не самостоятельно, а являются компонентой различных информационных систем: банков данных, информационно-поисковых и экспертных систем, систем автоматизированного проектирования, автоматизированных рабочих мест и других.

1.7.2 Выбор модели данных

По способу установления связей между данными СУБД основывается на использовании трёх основных видов модели: иерархической, сетевой или реляционной; на комбинации этих моделей или на некотором их подмножестве. Однако различия между этими моделями постепенно стираются.

Каждая из указанных моделей обладает характеристиками, делающими ее наиболее удобной для конкретных приложений. Одно из основных различий этих моделей состоит в том, что для иерархических и сетевых СУБД их структура часто не может быть изменена после ввода данных, тогда как для реляционных СУБД структура может изменяться в любое время.

Термин «модель данных» был введен американским математиком Коддом в 1970 г. при обосновании реляционной модели данных. Это понятие соответствует такому смысловому аспекту термина «модель», который понимается как средство, инструмент для моделирования.

Иерархическая модель данных

Иерархическая структура представляет совокупность элементов, связанных между собой по определенным правилам. Объекты, связанные иерархическими отношениями, образуют ориентированный граф (перевернутое дерево). К основным понятиям иерархической структуры относятся: уровень, элемент (узел), связь. К каждой записи базы данных существует только один (иерархический) путь от корневой записи [6].

Сетевая модель данных

Сетевая модель СУБД во многом подобна иерархической: если в иерархической модели для каждого сегмента записи допускается только один входной сегмент при N выходных, то в сетевой модели для сегментов допускается несколько входных сегментов наряду с возможностью наличия сегментов без входов с точки зрения иерархической структуры [7].

Реляционная модель данных

Эти модели характеризуются простотой структуры данных, удобным для пользователя табличным представлением и возможностью использования формального аппарата алгебры отношений и реляционного исчисления для обработки данных. Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц, которые представляют собой двумерный массив.

В рамках выполнения данного дипломного проекта я решил остановиться на реляционной модели данных, так как эта модель позволяет наиболее удобно представить данные рассматриваемой предметной области, поскольку таблицы наглядно отображают содержащуюся в БД информацию.

Логическая модель данных описывает понятия предметной области, их взаимосвязь, а так же ограничения на данные, налагаемые предметной областью.

Работа с базой данных начинается с построения модели. Наиболее распространенной является ER-модель (entity-relationship model). Она удобна при прототипировании (проектировании) информационных систем, баз данных, архитектур компьютерных приложений, и других систем (далее, моделей). С её помощью можно выделить ключевые сущности, присутствующие в модели, и обозначить отношения, которые могут устанавливаться между этими сущностями. Важно отметить, что сами отношения также являются сущностями (выделяются в отдельные графические блоки), что позволяет устанавливать отношения на множестве самих отношений. ER-модель является одной из самых простых визуальных моделей данных (графических нотаций)[8].

На рисунке 6 представлена логическая структура БД программного комплекса, которая является реализацией диаграммы сущностных классов, представленных на рисунке 1.

Список таблиц с пояснением:

- Таблица семестр. В таблице семестр находится список всех семестров которые были с момента начала учета формирования знаний и компетенций студентов.

- Таблица группа. В таблице групп находится список всех групп студентов с момента запуска программы и начала учета формирований знаний и компетенций студентов.

- Таблица предмет. В таблице предметов находится список всех предметов которым обучаются студенты бакалавры с первого курса до конца обучения.

- Таблица студент. В таблице студентов находится список студентов с начала и до окончания обучения. С момента начала учета формирования знаний и компетенций студентов.

- Таблица компетенции. В таблице компетенций находится список всех компетенций студентов бакалавров с подробным описанием каждой компетенции.

- Таблица ФГОСы. В таблице ФГОСы находится список всех знаний студентов-бакалавров на все время обучения с момента начала учета формирования знаний и компетенций студентов.

Рисунок 6 - Логическая структура базы данных

1.8 Выбор технических средств и ресурсный анализ

После построения логической модели данной системы необходимо произвести расчеты требуемых ресурсов памяти и времени реакции (быстродействия) системы. Эта оценка является приблизительной и должна характеризовать порядок величин при наихудших условиях функционирования системы. Расчет требуемых ресурсов памяти производится отдельно для внешней (долговременной) и оперативной (более быстрой) памяти.

1.8.1 Расчет необходимого объема внешней памяти

Для расчета внешней памяти воспользуемся формулой (1):

, Мбайт (1)

- общий объём внешней памяти;

- объём внешней памяти, требуемый для хранения файлов операционной системы и её нормальной работы;

- объём внешней памяти, требуемый для хранения файлов СУБД;

- объём внешней памяти, требуемый для хранения записей БД и результатов выполнения функций;

- объём внешней памяти, необходимый для хранения информации.

Система работает под управлением операционной системы Microsoft Windows 7 с использованием Microsoft SQL Server.

= 10000 Мбайт; = 20 Мбайт.

Срок хранения информации составляет пять лет, рассчитаем необходимое количество внешней памяти.

Данные расчетов сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Расчет объёма данных

Таблица БД	Размер записи, байт	Max количество записей	Размер индекса, байт	Итого, байт
Competency	3020	1000	4	3024000
Groups	30	100	4	3400
Semester	20	100	4	3400
Student	200	1000	8	208000
FGOS	3020	1000	4	3024000
Predmet	50	5000	12	70000
Subject	240	1000	16	248000
Users	50	10	4	540
Итого, байт:	6541340

= 6 Мбайт;

= 60 Мбайт;

Сложив данные, получим:

= 10000+20+6+60= 10086 Мбайт.

Таким образом, для сервера нам потребуется жесткий диск

объемом 10 Гб.

1.8.2 Расчет необходимого объема оперативной памяти

Формула, используемая для расчета требуемой оперативной памяти, аналогична формуле (1).

Результаты расчета объема кэша для хранения данных в оперативной памяти приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Расчет объема буферизации

Таблица БД	Размер записи, байт	Max количество записей	Размер индекса, байт	Итого, байт
Competency	3020	100	4	10300 1
Groups	30	100	4	1700
Semester	20	100	4	1700
Student	200	1000	8	1020
FGOS	3020	1000	4	10300
Predmet	50	500	12	3400
Subject	240	1000	16	12000
Users	50	50	4	540
Итого, байт:	40960

1.8.3 Расчет характеристик для сервера

= 60 Мбайт;

= 6 Мбайт;

= 1024+20+40+4 =1088 Мбайт;

Поскольку оперативная память комплектуется модулями стандартного размера от 256 Мбайт до 4 Гбайт, мы выбираем один модуль на 1024 Мбайт для сервера.

1.8.4 Расчет характеристики для клиента

= 40 Мбайт;

= 5 Мбайт;

= 4 Мбайт;

= 512+40+5+4=561 Мбайт.

Поскольку оперативная память комплектуется модулями стандартного размера от 256 Мбайт до 4 Гбайт, мы выбираем один модуль на 1024 Мбайт для клиента.

1.8.5 Расчет времени реакции системы

Расчет времени реакции системы должен дать оценку быстродействия системы. Временем реакции системы по какой-либо функции называется время от момента начала запроса на выполнение этой функции от внешнего источника запросов до момента окончания формирования результата по данной функции.

Общее время реакции системы на выполнение запроса рассчитывается по формуле (2):

(2)

,

,

,

,

.

- время на ввод входных данных запроса;

- коэффициент ошибок при вводе, для расчетов можно принять равным 1,5;

- количество символов, вводимых в качестве исходных данных запроса.

- время ввода одного символа, при ручном вводе с клавиатуры в некоторую экранную форму можно принять в среднем равным 2 с;

- время, затрачиваемое на считывание физических блоков при работе с накопителем;

- количество считываемых физических блоков, зависит от количества обрабатываемых таблиц (файлов) и объема таблиц (файлов);

=0,006 сек - время позиционирования головок дискового накопителя;

=0,001 сек - время считывания физического блока в дисковом накопителе;

- время, затрачиваемое процессором на обработку информации с учетом выполнения циклов;

= 1000 - количество операций высокого уровня, необходимых для формирования результата;

- среднее количество тактов машинных команд на одну операцию, для большинства случаев можно принять = 60;

= 2600*10⁶ - тактовая частота процессора, Гц;

= cредний объем таблицы, байт;

= 5 - количество таблиц, обрабатываемых в запросе;

= 512 байт - объем физического блока носителя, байт;

Данные из памяти SDRAM считываются блоками по 32 бита, разбитыми на че-тыре байта.

- время на вывод результата на устройство вывода или отображения, для принтера оценивается отдельно. Для дисплея можно принять 0,5 с. (зависит от видеокарты и дисплея).

Результаты расчета времени реакции системы приведены в таблице 3.

Таблица 3- Расчет времени реакции системы

Параметр	Значение
Vтабл=	400000
Nтабл=	1600
tввода= (секунд)	1
tсчитыв= (секунд)	8,9
tвычисл= (секунд)	0,00002954
tреакции=(секунд)	8,9

Таким образом, в худшем случае, для полной подготовки и вывода на экран отчета может потребоваться 8,9 секунды, причем основная часть этого времени будет тратиться на работу с запоминающим устройством (итоговое время реакции)

1.8.6 Скорость передачи данных

где, Vп - скорость передачи данных;

Vд - объем данных;

Vпр - пропускная способность;

Vпр = 512 Кбит/с (как наихудшее соединение);

Vд = 100 символов*2 бита=200бит = 0,19 Кбит;

Vп = 0,19 Кбит / 512 Кбит/с ? 0,0004 c.

0,0004 c. - скорость передачи данных при наихудшем соединении.

Требования к комплексу технических средств

Сервер: процессор класса Pentium с тактовой частотой 2 ГГц и выше;

- рекомендуемый объем оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 1024 Мбайт;

- жесткий диск емкостью не менее 40 Гбайт;

- видеокарта может быть любой, т.к. нет требований к производительности видеосистемы.

Клиент: процессор класса Pentium с тактовой частотой 2 ГГц и выше;

- рекомендуемый объем оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 1024 Мбайт;

- жесткий диск емкостью не менее 40 Гбайт;

- видеокарта может быть любой, т.к. нет требований к производительности видеосистемы.

2 КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Выбор и обоснование архитектуры системы

Для разработки информационной системы учета формирования знаний и компетенций студентов была выбрана архитектура типа веб-приложение. Веб-приложение или веб-система, это клиент-серверный программный продукт, клиентом которого выступает браузер, а в качестве сервера используется веб-сервер. Веб-приложение, с точки зрения обычного пользователя работает, как web-сайт. При этом web-интерфейс интегрирован с базой данных, удобными средствами ввода-вывода и управления информацией. Этот тип приложения можно отнести к классу клиент-сервер. Клиент-сервер -- архитектура или организация построения сети, в которой производится разделение вычислительной нагрузки между включенными в ее состав компьютера, выполняющими функции клиентов, и одной мощной центральной ЭВМ -- сервером [11]. Процесс наблюдения за данными отделен от программ, использующих эти данные. Сервер может поддерживать центральную базу данных, расположенную на мощном компьютере, зарезервированном для этой цели. Клиентом в разрабатываемой информационной системе будет являться интерактивные страницы сайта, доступ к которому можно получить с любого ЭВМ у которого есть возможность выхода в Интернет. Производительность при использовании клиент-серверной архитектуры выше обычной, поскольку как клиент, так и сервер делят между собой нагрузку по обработке данных. Достоинствами клиент-серверной архитектуры являются большой объем памяти и ее пригодность для решения разнородных задач, возможность подключения большого количества рабочих станций, включая ПЭВМ и пассивные терминалы, а также установки средств защиты от несанкционированного доступа. Основные понятия клиент-серверной архитектуры:

Клиент (client) -- сторона (ЭВМ, программа или пользователь), запрашивающая и использующая информацию и/или ресурсы у сервера в среде клиент-сервер.

Сервер баз данных (сервер СУБД, database server) -- сервер, состоящий из ЭВМ, операционной системы и СУБД. В зависимости от архитектуры построения сети сервер баз данных может являться основным ее сервером или сервером, поддерживающим промежуточное программное обеспечение.

Принцип работы клиент-серверного приложения представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 - Принцип работы клиент-серверного приложения

2.2 Выбор и обоснование средств комплекса программно-технических средств

Выбор операционной системы

Для нормального функционирования системы рекомендована операционная система Windows. Операционная система Windows самая популярная ОС по всему миру.

Windows позволяет разрабатывать приложения любой сложности, практически на любой существующей технологии, опираясь на понятный и интуитивный интерфейс [8].

Выбор языка программирования и среды разработки

В качестве интегрированной среды разработки была выбрана среда Microsoft Visual Studio 2012. Язык разработки - C#, технология ASP.Net MVC Framework. Выбор технологии ASP.Net MVC Framework для данной задачи был обусловлен необходимостью обеспечения доступа к комплексу через интернет.

Visual Studio 2012 хорошо адаптирован для разработки веб-приложений и при этом обладает упрощенным интерфейсом. Для повышения удобства и эффективности веб-разработки в Visual Studio 2012 имеется набор шаблонов веб-сайтов, базовая поддержка локализации сайтов и контроль учетных записей, разграниченный на различные права.

Язык программирования, использовавшийся для реализации программы - C# 2.0. C# представляет новый язык программирования, предназначенный для разработки разнообразных корпоративных приложений, выполняемых в среде .NET Framework.

Microsoft SQL Server являются наиболее мощным СУБД, поддерживающим распределенную работу, возможность более гибкого манипулирования данными за счет использования встроенных DML. Так же MS SQL Server интегрирован в среду MS Visual Studio 2012, что позволяет получать наиболее стабильную работу приложения [9-10].

Выбор СУБД

В качестве системы управления базами данных (СУБД) была выбрана Microsoft SQL Server[11].

Microsoft SQL Server представляет собой платформу для работы с базами данных, обеспечивающую возможность крупномасштабной оперативной обработки транзакций, хранения данных и работы с приложениями для электронной торговли; а также является платформой бизнес-аналитики для создания решений по интеграции данных, анализу и составлению отчетов.

Эта версия СУБД является решением для малых и средних приложений. Обычно Microsoft SQL Server используется в качестве сервера, к которому обращаются локальные или удалённые клиенты.

Гибкость СУБД Microsoft SQL Server обеспечивается поддержкой большого количества типов таблиц: пользователи могут выбрать как таблицы обычного типа, или индексные таблицы. Использовать можно также временные или кластерные таблицы. Благодаря тому, что Microsoft SQL Server часто используется при проектировании и реализации ИС, в СУБД постоянно появляются новые типы таблиц.

2.3 Описание программной реализации системы

Описание используемых классов и методов

Таблица 4 - Таблица используемых классов и методов

Модуль	Класс	Описание	Методы класса
Model	AccountModels.cs	Класс с информацией о пользователях	#ChangePasswordModel() #UserModel() #LogOnModel() #RegisterModel()
Модуль	Класс	Описание
View	Account	Страница авторизации
	Home	Стартовая страница
	Competency	Страница редактирования справочника компетенций
	Fgos	Страница редактирования справочника знаний
	Group	Страница редактирования справочника групп
	Journal	Страница редактирования справочника оценок студента по предметам
	Reference	Страница со списком всех справочников системы
	Report	Страница cо списком всех отчетов системы
	Semester	Страница редактирования справочника семестра
	Student	Страница редактирования справочника информации о студенте
	Subject	Страница редактирования справочника предметов
	Login.aspx.cs	Контроллер страницы авторизации
	User	Страница редактирования справочника пользователей
Модуль	Класс	Описание	Методы класса
Controllers	AccountController.cs	Контроллер страницы авторизации	#Page_Load()
	CompetencyController.cs	Контроллер страницы справочника компетенций	#Page_Load()
	FgosController.cs	Контроллер страницы справочника знаний	#Page_Load()
	GroupController.cs	Контроллер страницы редактирования справочника групп	#Page_Load()
	HomeController.cs	Контроллер стартовой страницы	#Page_Load()
	ReferenceController.cs	Контроллер страницы со списком всех справочников системы	#Page_Load()
	ReportController.cs	Контроллер страницы cо списком всех отчетов системы	#Page_Load()
	SemesterController.cs	Контроллер страницы редактирования справочника семестра	#Page_Load()
	StudentController.cs	Контроллер редактирования справочника информации о студенте	#Page_Load()
	SubjectController.cs	Контроллер страницы редактирования справочника предметов	#Page_Load()
	UserController.cs	Контроллер страницы редактирования справочника пользователей	#Page_Load()

2.3.1 Физическая схема базы данных

Физическая схема базы данных - это таблицы базы данных с атрибутами, ключевыми полями, связями между таблицами.

Физическая схема базы данных представлена на рисунке 8.



Рисунок 8 - Физическая схема базы данных

Основными компонентами физической базы данных являются физические блоки, хранимые записи, указатели, данные переполнения и промежутки между блоками. Взаимосвязи между хранимыми записями, возникающие в результате их группирования или использования индексных структур, могут также рассматриваться как часть физической структуры.

Результатом физического проектирования является полностью готовая к внедрению структура БД. Физическая модель данных ориентирована на конкретную СУБД.

Логический уровень позволяет давать объектам имена более понятные специалистам предметной области. На физическом уровне объекты БД необходимо называть так, как того требуют ограничения СУБД (например, словами, состоящими из латинских букв, без использования специальных символов).

Переход на физический уровень достигается определением названий таблиц, соответствующих сущностям, а также названия и типы данных для полей, представляющих атрибуты сущностей. С точки зрения реляционной БД таблица (сущность) состоит из набора строк (кортежей) и столбцов (атрибутов). Каждый столбец таблицы предназначен для хранения данных определенного типа.

Соответствие названий таблиц базы данных названиям отношений приведено в таблице 5.

Таблица 5 - Соответствие между отношениями и таблицами базы данных.

Название отношения (логический уровень)	Название таблицы (физический уровень)
Компетенции	Competences
Знания	Fgos
Оценка	Assessments
Группы	Groups
Студент	Students
Семестр	Semestr
Предмет	Subject
Факультет	Faculty

2.4 Разработка интерфейсов программы

2.4.1 Вход в систему

Для того чтобы войти в информационную систему, нужно пройти авторизацию, страница авторизации представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Страница авторизации системы

В зависимости от того, под какими правами вы авторизуетесь:

-Преподаватель;

-Заведующий кафедрой;

-Секретарь;

вы попадёте в тот или иной интерфейс системы. С соответствующим набором пользовательского интерфейса.

2.5 Работа с интерфейсом

2.5.1 Главная страница приложения

2.5.2 Главная страница приложения это первая страница, которую пользователь видит после открытия приложения. Главная страница приложения представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Главная страница приложения

2.5.3 Страница авторизации

Для того чтобы войти в информационную систему, нужно пройти авторизацию. Чтобы начать авторизацию, нужно нажать на ссылку «Вход».

В системе существуют три типа пользователей: заведующий кафедрой, преподаватель и секретарь.

Страница авторизации представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 - Страница авторизации

2.5.4 Страница работы со справочниками

Страница со списком справочниками разработана для того, чтобы можно было редактировать справочники компетенций, знаний, предметов, студентов, семестров. Редактирование возможно лишь в том случае если пользователь зайдет в автоматизированную информационную систему с правами секретаря, разрешающими пользователю редактирование выше перечисленных справочников. На рисунке 12 изображена главная страница справочников. Важно помнить, что справочники доступны только пользователям с правами секретарь. Рассмотрим редактирование справочников, на примере справочника знаний.

На рисунке 13 представлена страница со списком знаний, для того чтобы на неё попасть, нужно нажать на ссылку «Знаний», расположенную во вкладке «Справочники».

Рисунок 12 - Главная страница справочников

Рисунок 13 - Страница со списком знаний

2.5.5 Редактирование справочника знаний

Для удаления знания необходимо нажать на кнопку «Удалить», а для редактирования на кнопку «Редактировать». Откроется страница редактирования знания (рисунок 14).

Рисунок 14 - Страница редактирования знания

2.5.6 Страница формирования отчета уровня знаний

Для того чтобы сформировать отчет об уровне компетенции студентов необходимо зайти с правами пользователя секретарь либо заведующий кафедры и зайти во вкладку отчеты.

После этого секретарь выбирает вид отчета (Отчет по знаниям) и нажимает на него (рисунок 15). Далее секретарь выбирает факультет «ФИСТ» и после этого он видит список групп которые учатся или учились ранее на факультете и их среднее число уровеня знаний. (рисунок 16).

Рисунок 15 - Страница выбора вида отчетов



Рисунок 16 - Страница формирования отчета об уровне знаний групп

2.5.7 Отчет

Для формирования графического отчета необходимо нажать кнопку «Построить график» внизу страницы (рисунок 17).

Рисунок 17 - График уровня знаний студентов

2.6 Диаграмма последовательности (Sequence Diagram)

Диаграмма последовательности (Sequence Diagram) - отобра-жает последовательность и время обмена сообщениями объектов между собой (взаимодействие по управлению). Строится она толь-ко для объектов - конкретных экземпляров классов.

Особенности взаимодействия элементов моделируемой системы могут быть представлены на диаграммах кооперации и последовательности. Диаграммы кооперации используются для спецификации динамики поведения систем, хотя время в явном виде в них отсутствует. Однако временной аспект поведения может иметь существенное значение при моделировании синхронных процессов, описывающих взаимодействие объектов. Именно для этой цели в языке UML используются диаграммы последовательности.

На диаграмме последовательности неявно присутствует ось времени, что позволяет визуализировать временные отношения между передаваемыми сообщениями. С помощью диаграммы последовательности можно представить взаимодействие элементов модели как своеобразный временной график «жизни» всей совокупности объектов, связанных между собой для реализации варианта использования программной системы, достижения бизнес-цели или выполнения какой-либо задачи. Диаграмма последовательности изображена на рисунке 18.

Рисунок 18 - Диаграмма последовательности

2.7 Диаграмма компонентов системы (Component Diagram)

Диаграмма компонентов (Component diagram) -- статическая структурная диаграмма, показывает разбиение программной системы на структурные компоненты и связи (зависимости) между компонентами. В качестве физических компонентов могут выступать файлы, библиотеки, модули, исполняемые файлы, пакеты и т. п.

Диаграмма компонентов системы представлена на рисунке 19. На данной диаграмме представлены компоненты системы. Все страницы информационной системы генерируются на основе мастер страницы, поэтому от компонента _layout.cshtml зависят все *.cshtml страницы. Компонент web.config определяет доступ к определенным страницам, поэтому все страницы зависит от данного компонента. Стиль оформления описан в файле style.css.