Использование инструментов UML и шаблонов проектирования J2EE для построения систем дистанционного обучения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

В современном мире все большее значение приобретают знания и информация. Наблюдается устойчивый рост интереса коммерческих организаций к проблемам эффективного обучения и повышения квалификации своих сотрудников. В последнее время широкое распространение получает дистанционная форма обучения, во многом заменяющая заочную. Учитывая территориальные особенности России и возрастающие потребности качественного образования в регионах, дистанционное обучение быстро развивается и занимает важное место в сфере образовательной деятельности.

Динамичное развитие информационных технологий и сети Интернет открывает широкие возможности для образования. С помощью современных компьютеров можно визуально продемонстрировать природные явления, моделировать сложное техническое оборудование. Интернет позволяет вести обучение удаленных пользователей в режиме непрерывного взаимодействия. Автоматизация процессов обучения и проверки знаний позволяет избавиться от большого количества бумажных документов, повышает прозрачность учебного центра, облегчает координацию действий, выполняемых преподавателями, учащимися, административными сотрудниками.

Направление автоматизации образования быстро развивается. Разрабатываются новые программные комплексы различных масштабов, реализующие многочисленные функциональные требования и использующие новые научные и технологические достижения. Несмотря на большое количество доступных программных средств, существует ряд проблем, возникающих при выборе и внедрении системы управления обучением. Такими проблемами являются: разрозненность и несовместимость существующих систем и учебных материалов; жесткие требования многих систем к технологическим и аппаратным платформам, создающие проблемы переносимости и масштабируемости; сложность поддержки, изменений и расширения систем; проблемы интеграции в общее информационное пространство и технологическую инфраструктуру организации.

В работе анализируются перечисленные проблемы и предлагаются методы и технологии их решения.

Целью работы является построение гибкой модели образовательных объектов, разработка технологий автоматизации основных процессов корпоративного обучения и технологий построения программных комплексов, предназначенных для управления обучением.

В работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ и описание с помощью средств UML архитектурной модели системы дистанционного обучения, предоставляющей возможности для расширения функциональности и развития системы.

2. Разработка технологий для решения ряда задач построения системы на основе шаблонов проектирования.

3. Разработка логической структуры образовательных сущностей, таких как задания различных типов и тесты. Разработка формата их представления на основе языка XML и механизма трансформации объектов системы в этот формат.

4. Разработка технологии автоматизации тестирования учащихся, основанной на использовании шаблонов тестов.

5. Формирование предложений по выбору технической (аппаратной) реализации систем дистанционного обучения.

6. Программная реализация предложенных моделей и технологий в системе управления обучением.

В работе предложены технологии и методы решения задач, возникающих при проектировании систем управления обучением. В отличие от большинства используемых технологий, предложенные решения имеют следующие особенности:

1. Разработаны модификации известных шаблонов проектирования для решения задач построения системы дистанционного обучения.

2. Предложена гибкая, расширяемая логическая модель образовательных объектов, обеспечивающая возможность добавления новой функциональности в рамках существующей модели. Формат представления учебных объектов реализует методы международного стандарта построения учебных курсов SCORM.

3. Предложена новая технология реализации тестов на основе шаблонов, которая позволяет назначать учащимся индивидуальные задания, построенные по совокупности общих правил.

4. Предложенные технологии обеспечивают независимость системы от аппаратной платформы, масштабируемость, возможность интеграции и обмена данными с другими информационными системами предприятия, такими как система управления кадрами.

Предложенные модели и технологии применимы для широкого круга прикладных задач, возникающих при проектировании и разработке систем управления обучением. В работе рассмотрены и решены задачи, связанные с моделированием логической структуры образовательных объектов и динамики их взаимодействия при выполнении процессов системы. Несмотря на активное развитие систем дистанционного обучения, эти задачи до сих пор актуальны для всех разработчиков систем.

Разработанная технология и технические предложения организации тестов позволяют решить актуальную проблему индивидуальной проверки знаний учащихся и могут быть успешно использованы при аттестации персонала предприятия. Предложенный формат учебных объектов совместим с международным стандартом SCORM, что позволяет использовать большое количество готовых учебных курсов, разработанных сторонними организациями. Предложенная архитектура предоставляет широкие возможности для развития, расширения функциональности и адаптации системы под нужды конкретной организации. Возможность развертывания системы на разных аппаратных и технологических платформах обеспечивает независимость от технологической инфраструктуры предприятия и возможность масштабирования системы, актуальную для развивающихся и изменяющихся организаций.

Системы, применяющие предложенные технологии, могут использоваться в различных организациях для автоматизации корпоративного обучения, повышения квалификации и аттестации персонала. Автор принимал участие в разработке подобной системы, которая внедрена и успешно используется в ряде российских организаций.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях МФТИ (Долгопрудный, 2005, 2006), научных семинарах кафедры математических основ управления МФТИ и Центра сетевых образовательных технологий и систем МФТИ (Долгопрудный, 2003-2007), международной научно-технической конференции «Инноватика-2007» (Сочи), международной научно-технической конференции, посвященной проблемам электронного обучения, «Online Educa Berlin 2006» (Берлин).

1. Обзор ведущих современных систем управления обучением, используемых для автоматизации корпоративного обучения российскими организациям, история их появления и развития

Рассматривается понятие программной архитектуры и проводится исследование инструментальных средств, предназначенных для проектирования программного обеспечения. Рассматриваются различные методы построения приложений в архитектуре «клиент-сервер».

Российский рынок систем дистанционного обучения достаточно молод. Первые серьезные отечественные приложения для автоматизации обучения появились в конце 90х годов. В настоящее время разработан ряд успешных программных комплексов, предназначенных для технологической поддержки корпоративного обучения. Подробно рассмотрены наиболее известные российские системы «Прометей», «eLearningServer» и «WebTutor». Также рассмотрены зарубежные системы «Moodle» и «Sakai». Проведен сравнительный анализ особенностей построения систем, их преимуществ и недостатков. Выделены наиболее актуальные проблемы современных систем, зависящие от технологических особенностей построения: расширяемость, масштабируемость, зависимость от аппаратной платформы, совместимость с учебным материалом сторонних производителей, сложность поддержки.

Для крупных и сложных систем актуальна проблема трудоемкости их поддержки и развития, которая может быть решена с помощью построения строгой и понятной архитектурной модели. Рассматриваются «классические» определения, способы описания архитектуры и проектирования программного обеспечения. Производится анализ и сравнение технических средств моделирования сложных систем и исследуется целесообразность их применения в той или иной области. Выделяются следующие основные модели программной архитектуры:

· Логические модели задают объектную структуру приложения. Их основная цель - описание логических связей между компонентами приложения, которые объединяют их в единую систему.

· Процессные модели концентрируются на построении принципов динамического поведения системы: описывают события, активности и процедуры, выполняемые на отдельных фазах процессов, участвующие в них объекты и их динамическое взаимодействие.

· Физические модели задают правила отображения элементов программного средства на аппаратное обеспечение.

Исследуются методы и инструменты моделирования программных комплексов: формальные методы, такие как теории графов и сети Петри; языки описания архитектур ADL, примерами которых являются Wright, UniCon, ACME; средства визуального моделирования - CRC-карты, стандарт IDEF, диаграммы потоков данных.

Одним из наиболее удобных и широко используемых средств проектирования сложных объектно-ориентированных систем является унифицированный язык моделирования UML, разработанный при участии Г. Буча, Дж. Рамбо и И. Якобсона.

Спецификация UML 2.0 состоит из двенадцати основных диаграмм, описывающих архитектуру приложения в разных сечениях. Диаграммы UML можно разделить на две основные группы: структурные диаграммы и диаграммы поведения. Структурные диаграммы предоставляют средства для моделирования логической, объектной структуры системы. Диаграммы поведения позволяют моделировать процессы системы и принципы взаимодействия компонентов при исполнении приложения. Использование совокупности необходимых диаграмм UML предоставляет широкие возможности для описания полной программной архитектуры приложения.

Язык имеет следующие преимущества:

· UML - объектно-ориентированный язык, его методы семантически близки к методам программирования и могут быть преобразованы в код современных объектно-ориентированных языков;

· UML позволяет описать систему в перспективах логической, процессной и физической архитектурной модели;

· Диаграммы UML просты и удобны для использования;

· UML получил широкое распространение и динамично развивается, его методы поддерживаются многими инструментальными средствами.

Традиционные подходы в моделировании разбивают систему на функциональные фрагменты. На верхнем уровне абстрагирования приложения достаточно четко можно выделить следующие компоненты:

· логика доступа к ресурсам;

· бизнес-логика;

· презентационная логика.

Уровень доступа к ресурсам определяет структурную модель данных. Часто этот уровень представляет собой именно СУБД. В сложных приложениях можно выделить дополнительный уровень, реализующий проецирование сущностей системы на структуру данных.

Уровень бизнес-логики определяет динамическое поведение системы: выполнение функциональных операций, реализацию бизнес-процессов системы, управление сессиями.

Презентационная логика реализует интерфейс приложения, правила представления информации пользователю и получения обратной связи.

Существуют различные способы распределения уровней абстракции логики между физическими компонентами системы. Подробно рассматриваются модели «тонкого» и «толстого» клиента, анализируются их свойства.

Разделение приложения на несколько функциональных уровней позволяет ограничить и упорядочить обмен информацией между ними. Во-первых, это делает уровни более независимыми друг от друга: изменение на одном уровне не влияет на работу других частей приложения. Во-вторых, запрет на прямой доступ к данным другого уровня повышает безопасность приложения. Данные могут передаваться между уровнями только через специальные интерфейсы, что упрощает контроль над передачей информации и уменьшает вероятность несанкционированного доступа. Многоуровневая архитектура позволяет повысить структурированность и прозрачность кода, облегчает поддержку и развитие сложного приложения.

Рассматриваются известные технологические средства реализации разных уровней приложения.

2. Задачи, возникающие при проектировании приложений в трехуровневой архитектурной модели и их решение с помощью методов и шаблонов проектирования

Проводится исследование существующих шаблонов проектирования, рассматриваются способы решения с их помощью практических задач построения информационных систем.

Опыт создания приложений независимыми разработчиками позволил собрать коллекцию шаблонов проектирования (Design Patterns) - методов и технологий решения стандартных задач, встречающихся при проектировании и разработке сложных программных комплексов. Рассматриваются способы реализации известных шаблонов проектирования с помощью технологий Java 2 Enterprise Edition (J2EE) и Enterprise Java Beans (EJB).

Классические шаблоны делятся на три основные группы:

· порождающие шаблоны;

· структурные шаблоны;

· шаблоны поведения.

Порождающие шаблоны проектирования используются в процессе создания экземпляров объектов и помогают сделать систему независимой от способа создания, композиции и представления объектов. Порождающие шаблоны используются для решения двух основных задач. Во-первых, они инкапсулируют знания о конкретных классах, которые применяются в системе. Во-вторых, скрывают детали того, как эти классы создаются и стыкуются. Единственная информация об объектах, известная системе - это их интерфейсы, определенные с помощью абстрактных классов.

Структурные шаблоны задают организацию классов и объектов приложения. Они используются при построении логической модели и помогают решить задачи структурирования, взаимосвязи и трансформации сущностей системы.

Шаблоны поведения позволяют решать такие задачи, как делегирование команд обработчикам объектов, инкапсуляция операций и параметров в служебных объектах, запоминание состояния объекта с возможностью его восстановления и другие задачи динамического поведения приложения.

В рамках многоуровневой архитектуры также выделяются презентационные технологии и шаблоны, задающие правила проектирования презентационного уровня приложения.

Шаблоны проектирования применены в работе для решения ряда практических задач.

1. Модель организации и передачи данных приложения. При решении задачи рассмотрены следующие шаблоны:

· Технология «Объект доступа к данным» (Data Access Object) - служит переходником между кодом приложения и базой данных, абстрагирует бизнес-сущности системы и проектирует их на модель данных, выполняет все прямые запросы к БД.

· Метод переносимого объекта (Transfer Object) - служит инструментом для переноса сложных объектов, организации пакетного обмена данными между клиентом и сервером, оптимизации нагрузки на сеть.

· Метод общего доступа к атрибутам (Generic Attributes Access) - альтернативный вариант реализации переноса данных, использующий в качестве передаваемого объекта структуру HashMap.

· Метод абстрактной фабрики - служит для создания семейств объектов и инкапсуляции их общих свойств, существенно упрощает задачу добавления новых типов сущностей.

Модель реализована на основе шаблона Объект доступа к данным. Шаблон модифицирован путем введения дополнительных объектов, обеспечивающих абстрагирования типов данных от СУБД. Применен дополнительный сложный идентификатор, обеспечивающий возможность использования всеми классами-моделями единственного компонента EJB. При порождении моделей используется метод абстрактной фабрики. Перенос данных реализован методом общего доступа к атрибутам.

2. Автоматизация выполнения операций. Реализована на основе шаблона проектирования Команда.

· Шаблон «Команда» - служит для создания операций, независимых от конкретного исполнителя.

Все действия системы инкапсулируются в классах-операциях. Дополнительно использованы сессионные компоненты EJB. Результат применен для реализации модели безопасности на основе доступа разрешений пользователей на выполнение операций.

3. Разработка логики презентации информации.

· Технология «Модель-Презентация-Контролер» (Model View Controller) - служит для абстрагирования логики презентации бизнес-объектов от технологии презентации на стороне клиента.

Реализована при помощи библиотеки Maverick.

4. Презентация больших массивов данных.

· Технология асинхронного представления данных - заключается в изменении содержимого загруженной веб-страницы без ее полной перезагрузки, благодаря чему достигается высокая динамичность страниц и повышается производительность системы, работающей с большими массивами данных.

Реализована с помощью модуля AJAX.

5. Модели образовательных объектов: задание и тест.

· Технология реляционного хранения XML-документов - позволяет решить задачи представления объектов в виде XML и обратного преобразования XML в структуры объектов. Реализована с помощью средств JAXB.

· Модель структурирования и презентации учебных курсов на основе стандарта SCORM 2004.

Технология реляционного хранения применена для преобразования между двумя представлениями модели - объектной и XML. Реализованы методы стандарта SCORM для обеспечения совместимости с другими системами.

3. Применение рассмотренных методов для построения системы дистанционного обучения Competentum Instructor

Описывается назначение и задачи, поставленные перед системой, дается обзор платформы Competentum, на основе которой построено приложение. Предлагаются модели построения образовательных объектов в рамках системы. Приводится подробное описание системы в виде объектной структуры сущностей (логическая модель).

В системе используются такие основные образовательные сущности, как задание и тест. Под заданием понимается вопрос или задача, которую может решить учащийся. На Рис. 1 приведена диаграмма классов UML, иллюстрирующая объектную структуру модели задания.

Предусмотрены задания разных типов. Каждый тип реализован отдельным классом, каждый из которых наследуется от класса Абстрактное Задание (AbstarctQuestion), реализующего функциональность, общую для заданий всех типов. При ответе на вопрос создаются объекты Ответ (Answer) и Оценка (Grade), в результате проверки ответа системой.

Рис. 1. Объектная структура задания

программный тестирование шаблон

Учебные объекты трансформируются и сохраняются в виде формальной модели XML. Они могут быть экспортированы для повторного использования в других системах.

Тестом в рамках системы называется совокупность заданий, предлагаемых учащимся для решения. Этот объект создается на основе шаблона, определяющего совокупность правил, используемых при выборе заданий для теста.

На Рис. 2 приведены объекты, участвующие в реализации процессов назначения и прохождения теста.

Рис. 2. Объекты, задействованные в процессе тестирования

Уровень доступа к данным можно разделить на две области: область определений, в которой находятся статические объекты-определения системы, и область экземпляров. В области экземпляров существуют объекты, которые участвуют в динамических процессах системы. Как правило, такие объекты создаются на основе соответствующих сущностей из области определения (инстанцируются).

Шаблон теста создается в виде объекта-определения TestDefinition. Шаблон теста не содержит конкретных вопросов, а содержит Слоты для них (Slot). При вызове операции Назначить тест (AssignTest) на основе шаблона создается Экземпляр теста (TestAssignment), который уже однозначно связан с конкретным набором Заданий (Question). В качестве второго параметра операция Назначить тест использует Учащегося. При вызове операции Пройти тест (TakeTest) запускается процедура тестирования. Таким образом, области определения хранится статический шаблон теста, задающий общие характеристики объекта. А на его основе создается множество индивидуальных экземпляров, однозначно связанных с конкретным учащимся.

Приводится подробное описание приложения в виде динамической модели. Подробно рассматриваются основные процессы системы, исследуются правила поведения и взаимодействия объектов во время выполнения приложения.

Центральным процессом системы Competentum.Instructor является тестирование учащихся, в рамках которого происходит создание шаблона теста, назначение теста учащемуся, прохождение теста и оценка ответов. Процесс создания шаблона и назначения теста учащемуся показан на Рис. 3.

Рис. 3. Создание шаблона и назначение теста учащемуся

На Рис. 4 показан процесс прохождения теста. Показаны принципы взаимодействия объектов при выполнении операции Пройти тест (ActionTakeTest). При этом инициируемый экземпляр теста (TestAssignment) вызывает и возвращает список вопросов учащемуся. Учащийся последовательно отвечает на вопросы, отсылая данные модели экземпляра задания (Question). В процессе ответа создаются объекты, обрабатывающие и сохраняющие ответ на задание и оценку.

Рис. 4. Прохождение теста

4. Физическая модель, определяющая размещение компонентов на аппаратной структуре

Описаны используемые технологии и реализация приложения. Приводятся примеры практического использования системы.

Предложена реализация приложения на базе многоуровневой клиент-серверной архитектуры в модели «тонкого клиента». Серверная часть системы реализована по трехуровневой схеме, т.е. слой данных отделен от уровней логики и презентации данных.

Уровень представления со стороны клиента реализован простым веб-интерфейсом, просматриваемым в обычном Интернет-браузере. Серверный уровень представления использует технологии JSP и JavaServlet. При создании JSP страниц применяется библиотека тегов JSTL. Уровень представления реализован с помощью технологии Модель-Представление-Контролер, в котором центральное место занимает сервлет-диспетчер. В качестве каркасной технологии, использованной в веб-контейнере, выступает библиотека Maverick. Эта библиотека значительно проще, чем Struts, занимает меньший объем, имеет простую концепцию и позволяет достаточно гибко расширять свой язык метаописания.

Уровни бизнес-логики и сущностей системы размещены в EJB-контейнере сервера приложений. Бизнес-логика реализует шаблон проектирования Команда с помощью сессионных компонентов EJB - Менеджер и Сессия. Основные действия системы представлены в виде классов-операций.

Сущности системы представлены в виде классов-моделей, персистентность которых реализована с помощью компонента EJB База. Модель доступа к данным реализует шаблоны проектирования Объект доступа к данным, Общий доступ к атрибутам и Абстрактная фабрика. Все модели могут использовать единственный компонент EJB, благодаря реализации сложного идентификатора. База данных независима от приложения и может быть вынесена на отдельный сервер. Физическая модель размещения компонентов системы представлена на Рис. 5.

Рис. 5. Аппаратная структура системы

В конце главы приведены примеры практического применения разработанных моделей и технологий в системе дистанционного обучения Competentum.Instructor, которая используется в ряде российских организаций. Описаны внедрения с использованием различных аппаратных платформ и технологий в организациях:

1. Mp.Доорз Хоум Декор Инк.

2. ООО Физикон.

3. Международный институт менеджмента ЛИНК.

Заключение

Основные результаты диссертации:

1. Исследован и применен способ описания трехуровневой клиент-серверной программной архитектуры системы управления обучением с помощью средств UML. Разработана спецификация архитектуры системы дистанционного обучения в виде: логической объектной структуры, динамических правил выполнения процессов и аппаратной реализации.

2. На основе шаблонов проектирования и их комбинаций исследованы и решены задачи разработки программных комплексов для:

· построения модели доступа к данным и передачи данных;

· автоматизации выполнения операций;

· абстрагирования логики представления информации от технической платформы;

· динамического асинхронного представления больших массивов данных.

3. Разработаны модификации существующих шаблонов проектирования, основанные на:

· использовании сложного идентификатора и дополнительных объектов для абстрагирования типов в модели доступа к данным;

· использовании сессионных компонентов в шаблоне Команда;

· использовании сервлета для обработки входных данных в методе Модель-Представление-Контролер.

Набор предложенных шаблонов проектирования реализован при помощи технологий J2EE/EJB.

4. Разработана объектная структура таких образовательных сущностей, как задание и тест, а также формальная XML-модель их представления, транслируемая в соответствии с общепринятым стандартом SCORM.

5. Предложена технология организации тестирования учащихся, основанная на использовании шаблонов тестов. Разработана модель шаблона теста, реализующая совокупность правил, используемых для выбора заданий из базы данных и для генерации теста.

6. Сформированы предложения по технической (аппаратной) реализации архитектуры системы дистанционного обучения.

7. Предложенные методы и модели использованы при разработке системы дистанционного обучения Competentum.Instructor.

Литература

1. Я. С. Егоров. Анализ средств описания архитектур сложных программных комплексов // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук. Часть VII. Прикладная математика и экономика: Труды XLVIII научной конференции/Моск. физ.-тех. ин-т. - М., 2005. - С. 80-81.

2. Я. С. Егоров. Технологические особенности современных систем дистанционного обучения // Процессы и методы обработки информации: Сб.ст./Моск.физ.-тех. ин-т. - М., 2006. - С. 133-138.

3. Я. С. Егоров. Автоматизация тестирования учащихся в системе дистанционного обучения. // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук. Часть VIII. Прикладная математика и экономика: Труды XLIX научной конференции/Моск. физ.-тех. ин-т. - М., 2006. - С. 86-87.

4. Y. Egorov, V. Zhukov. Adaptive Content Sequencing: Applications, Issues, and Solutions // Online Educa Berlin. Book of Abstracts. - Berlin, 2006. - Sec. DES30.

5. Я. С. Егоров. Использование шаблонов проектирования для решения задач построения структуры данных информационной системы. // Системные проблемы надёжности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2007) / Материалы международной научно-технической конференции и Российской научной школы молодых ученых и специалистов. Часть 3 - М. Энергоатомиздат, 2007. - С. 96-97.

6. Я. С. Егоров. Решение задач проектирования структуры данных и бизнес-логики с использованием шаблонов проектирования. // Системотехника: Сетевой электронный научный журнал/Мос. ин-т. электроники и математики - 2007, №6.

7. Я. С. Егоров. Проектирование образовательных объектов в рамках системы дистанционного обучения. // Электронный журнал «Исследовано в России», № 10, 2007, С. 1471-1477.

8. Егоров Я.С. Использование шаблонов при проектировании структуры данных в приложениях с многоуровневой архитектурой // Системы управления и информационные технологии, 2007, N3.1(29). - С. 138-142.

9. Я. С. Егоров. Построение модели учебного объекта в системе управления обучением. // Информационные технологии моделирования и управления, 2007, № 41 - С. 792-797.

10. ООО «Компетентум Сервис». Система дистанционного обучения «Competentum.Instructor» / Программа для ЭВМ - св-во о регистрации № 2006611031 от 20 марта 2006г.

11. ООО «Физикон». Система дистанционного обучения «Competentum.Magister» / Программа для ЭВМ - св-во о регистрации № 2006611031 от 20 марта 2006г.

Размещено на Allbest.ru