Разработка электронного практикума по информатике

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Обзор подходов к разработке обучающих систем

1.1 Особенности и классификация программных комплексов

1.2 Обзор существующих программных средств для обучения

1.3 Обзор рейтинговых систем оценки знаний учащихся

2. Разработка принципов и структуры электронного практикума по информатике программный комплекс электронный практикум

2.1 Структура системы, назначение и описание модулей

2.2 Разработка рейтинговой системы оценки знаний учащихся

2.3 Системно-информационный подход к содержанию практикума

3. Построение электронного практикума по информатике

3.1 Проектирование практикума с использованием CASE-средств

3.2 Разработка практикума по информатике

3.2.1 Основные этапы разработки практикума

3.2.2 Алгоритмы работы

3.2.3 Реализация структуры интерфейса

3.3 Построение информационной модели данных

3.4 Содержание компьютерного практикума по информатике

4. Компьютерная реализация ЭП по информатике

4.1 Разработка структуры программной реализации ЭП

4.1.1 Основные требования к ЭП

4.1.2 Требования к функциональным возможностям

4.2 Описание программной реализации для студента

4.3 Описание программной реализации для преподавателя

4.4 Тестирование и оценка надежности ЭП

Заключение

Список использованных источников

Введение

Актуальность темы. В сфере образования на сегодняшний момент происходит активная автоматизация. Практически везде применяются какие-либо программные средства для улучшения качества контроля над процессом обучения. Они позволяют более детально и углубленно изучить процесс, даже если этого не позволяют имеющиеся возможности. Посредством различных лабораторных практикумов, к примеру, можно рассмотреть явление, которое в реальной жизни трудно наблюдать или требующее больших затрат. В условиях же обучения, к примеру, специалистов, программные средства приближают их к реальным условиям и готовят к тому, с чем предстоит иметь дело. По своей характеристике такие компьютерные комплексы очень многообразны. От простых электронных учебников до целых сложных и емких систем, таких как виртуальные электронные комплексы или системы, включающие целый курс какого-либо предмета с материалами, промежуточной и контрольной проверкой, лабораторными работами и практическими заданиями. Такое программное обеспечение делает рабочую программу для студентов и преподавателей более усовершенствованной, позволяет дать объективную оценку уровню знаний.

Цель данной работы: разработка системы, представляющей собой электронный практикум по информатике, который содержит в себе теоретический материал, практические задания для постепенного усвоения, промежуточную проверку в виде тестов, итоговый контроль и рейтинг студентов по успеваемости.

Задачи работы:

- разработка структуры и содержания электронного практикума по дисциплине «Информатика»;

- обзор методов для формирования рейтинга;

- разработка алгоритма работы;

- реализация электронного практикума.

Научная новизна работы:

- представлена функциональная структура и алгоритм работы программы;

- спроектирован модуль рейтинга студентов с учетом набранных ими баллов за каждую из проверочных работ и точек контроля, оценивающую, какую позицию по уровню успеваемости занимает каждый из обучаемых.

Практическая значимость работы: разработан электронный практикум по информатике с применением метода для формирования рейтинга студентов по итогам проверки их знаний, который может использоваться при обучении и тестировании учащихся.

Апробация работы. Все результаты работы были представлены на Межрегиональной научной конференции в рамках X Ежегодной сессии аспирантов и молодых учёных, проводившейся в г. Вологда в 2016 году.

Публикации. Основные результаты изложены в 2 работах.

Выпускная квалификационная работа состоит из четырех разделов.

В первом разделе рассматриваются подходы к разработке обучающих систем, их особенности, классификация, анализ существующих программных средств в образовании и рейтинговых систем.

Второй раздел включает в себя описание структуры системы и ее основных модулей, описывается разработка рейтинговой системы для обучаемых.

В третьем разделе рассматривается проектирование электронного практикума с построением диаграмм различных видов и уровней, дается характеристика основных этапов разработки программного комплекса, алгоритма его работы.

В четвертом разделе приводятся основные требования к функциональности системы, описывается клиентская часть, предназначенная для каждого из основных пользователей, студентов и преподавателей, дается оценка надежности электронного практикума.

1. Обзор подходов к разработке обучающих систем

1.1 Особенности и классификация программных комплексов

Необходимо рассмотреть, что собой представляет компьютерный комплекс для обучения. Согласно словам автор книги «Разработка компьютерных учебников и обучающих систем» Башмакова А.И. такие программные комплексы подразумевают под собой следующее:

«КСО - это программное средство (программный комплекс) или программно-технический комплекс, который предназначен для решения определенных педагогических задач, который имеет предметное содержание и ориентирован, прежде всего, на взаимодействие с обучаемым.

Приведенное определение фиксирует то, что КСО является средством, специально созданным для решения педагогических задач, т.е. использование в учебном процессе - его главное назначение.

Требования предметного содержания подразумевает, что КСО должен включать учебный материал по определенной ПО. Под учебным материалом понимается информация как декларативного (описательного, иллюстративного) характера, так и задания для контроля знаний и умений, а также модели и алгоритмы, представляющие изучаемые объекты и процессы. Наличие предметного содержания позволяет отделить КСО от вспомогательных средств, обеспечивающих техническую и методическую поддержку учебного процесса (электронные журналы успеваемости, мониторы для дистанционного контроля и консультирования) [1].

Ориентация на обучаемых означает, что они составляют базовую категорию пользователей, в расчете на которые определяются содержание и функции, воплощаемые в КСО, характеристика комплексов. Прочие участники учебного процесса (преподаватели, инструкторы, методисты) применяют КСО в своей профессиональной деятельности, но не входят в базовую категорию их пользователей».

Программные комплексы с момента своего появления претерпели множество изменений, что привело к возникновению и разделению на множество их различных видов.

Во-первых, КСО строились как электронные аналоги учебно-методических пособий на бумажных носителях. Этому основанию соответствуют автоматизированные учебники, задачники, справочники и т.п. Во-вторых, в КСО воплощались функции технических, но не компьютерных учебных средств: физических тренажеров и лабораторных установок. Так появились более универсальные, компактные и менее дорогостоящие компьютерные тренажерные системы и лабораторные практикумы. В-третьих, КСО соотносились с видами учебных занятий и мероприятий, на поддержку которых они ориентировались. Данная ориентация обусловила выделение мультимедийных лекций, автоматизированных контрольных работ, рубежных контролей. Наконец, в-четвертых, КСО ассоциировались с решаемыми с их помощью педагогическими задачами. Последнему аспекту соответствуют автоматизированные восстановительные курсы, системы контроля знаний.

Стоит упомянуть, что каждая технология имеет свои достоинства и недостатки. К безусловным преимуществам компьютерных средств для обучения относятся:

ѕ создание условий для самостоятельной проработки учебного материала (самообразования), позволяющих обучаемому выбирать удобные для него место и время работы с КСО, а также темп учебного процесса и более глубокая индивидуализация обучения и обеспечение условий для его вариативности;

ѕ возможность работы с моделями изучаемых объектов и процессов (в том числе тех, с которыми сложно познакомится на практике);

ѕ возможность представления и взаимодействия с виртуальными трехмерными образами изучаемых объектов;

ѕ возможность представления в мультимедийной форме уникальных информационных материалов (картин, рукописей, видеофрагментов, звукозаписей);

ѕ возможность автоматизированного контроля и более объективное оценивание знаний и умений;

ѕ возможность автоматической генерации большого числа не повторяющихся заданий для контроля и более удобного доступа к ней (гипертекст, гипермедиа, закладки, автоматизированные указатели, поиск по ключевым словам, полнотекстовый поиск);

ѕ создание условий для эффективной реализации прогрессивных психолого-педагогических методик (игровые и состязательные формы обучения, экспериментирование, «погружение» в виртуальную реальность).

Перечисленные достоинства характеризуют КСО в дидактическом и функциональном отношениях. К технологическим преимуществам КСО относятся: повышение оперативности разработки, более простое обновление и развитие, легкое тиражирование, более простое распространение.

Программные средства для обучения имеют также ряд недостатков:

ѕ необходимость иметь компьютер (в ряде случаев с выходом в сеть) и соответствующее программное обеспечение для работы программного обеспечения;

ѕ необходимость обладать навыками работы на компьютере;

ѕ сложность восприятия больших объемов текстового материала с экрана дисплея.

Иногда также нужно учесть недостатки, вызванные неграмотным проектированием и концептуальными недочетами, допущенными во время проектирования и разработки.

Разработчики КСО и преподаватели, применяющие их в своей практической деятельности, должны знать недостатки и стараться компенсировать их при создании и эксплуатации данных средств. Способы компенсации могут быть разными: техническими, организационными, методическими, дидактическими, функциональными [1].

Современная тенденция указывает на необходимость существования таких систем для обучения.

Виды КСО, как правило, соотносится не с отдельными задачами, а с группами наиболее коррелирующих задач.

Структура классификаций компьютерных средств показана на рисунке 1.1.

В зависимости от решаемых педагогических задач принято подразделять их на четыре класса: комплексные и вспомогательные, для теоретической и технологической подготовки, для практической подготовки.

Программные средства первого класса:

- компьютерный учебник (КУ) -- КСО для базовой подготовки по определенному курсу (дисциплине), содержание которого характеризуется относительной полнотой и представлено в форме учебника (книги).

- компьютерная обучающая система (КОС) -- КСО для базовой подготовки по одному или нескольким разделам (темам) курса (дисциплины).

- компьютерная система контроля знаний (КСКЗ) -- КСО для определения уровня знаний обучаемого (тестируемого) по данной дисциплине, курсу, разделу, теме или фрагменту ПО и его оценивания с учетом установленных квалификационных требований.

Следующих два вида средств используются для практической подготовки.

Компьютерный задачник (КЗ), или компьютерный практикум -- КСО для выработки умений и навыков решения типовых практических задач в данной ПО, а также развития связанных с ними способностей.

Компьютерный тренажер (КТ) -- КСО для выработки умений и навыков определенной деятельности, а также развития связанных с ней способностей.



Рисунок 1.1 Классификация компьютерных средств для обучения

Компьютерные комплексы как вспомогательные средства, способствующие решению задач теоретической, технологической или практической подготовки, но в самостоятельном качестве не достаточные для достижения соответствующих целей.

В свою очередь упомянутый выше класс следующие виды программных средств: компьютерный лабораторный практикум (КПП), компьютерный справочник (КС), мультимедийное учебное занятие (МУЗ).

В классе комплексных средств, покрывающих широкий круг педагогических задач, выделим два вида КСО: компьютерный учебный курс (КУК), компьютерный восстановительный курс (КВК). Наряду с которыми встречаются и другие виды комплексных средств, не показанные на схеме классификаций. Они либо объединяют компьютерные средства обучения разных видов, могут реализовывать функции, присущие им(например, таковыми являются тренажерно-обучающие системы).

Широкие, в содержательном плане, КСО, в целом покрывающие материал определенного учебного курса, называются интегральными. Интегральные КСО включают большой объем учебного материала или объединяют несколько средств одного вида. В результате появляется комплексное средство. Комплекс как единое средство должен обеспечивать централизованное управление учебным процессом и синхронизированное использование входящих в него КСО как звеньев системы.

В зависимости от использования телекоммуникационных технологий КСО подразделяются на локальные, работающие на базе автономных вычислительных систем, и сетевые, функционирующие в рамках вычислительных сетей (локальных или глобальных). КСО, функционирующие на базе глобальны вычислительных сетей, используются в режиме удаленного доступа. Сетевые КСО, предусматривающие взаимодействие обучаемых, ориентированы на групповые формы подготовки.

Интеллектуальными называют средства, реализующие функции традиционно ассоциируемые с человеческим интеллектом. Среди них наибольшую известность получили экспертно-обучающие и адаптивные обучающие системы. Первые основываются на интеграции технологий КСО и предназначены для освоения методов решения так называемых слабоструктурированных задач.

Адаптивные обучающие системы представляют собой компьютерные средства для обучения, реализующие обратные связи между обучаемым и системой, которые используются для управления учебным процессом: по результатам работы обучаемого осуществляется корректировка сценария его дальнейшего взаимодействия с программным средством (последовательности, глубины и формы представления учебного материала, условий учебных заданий).

Условия, в которых следует применять КСО, определяются возможностями их видов. Выбор видов КСО и конкретных средств, которые удовлетворяют данным образовательным потребностям, осуществляется преподавателями и методистами, планирующими использование КСО в учебном процессе. В настоящее время большинство решений, связанных с внедрением в учебный процесс КСО, приводят к необходимости разработки новых продуктов [1].

Программные комплексы играют очень важную роль в обучении и подготовки будущих специалистов. Потребность в качественном и программном средстве, наиболее полно отражающем какую либо тему или профиль изучения, очень велика. Об их ценности и роли более подробно рассмотрено в учебном пособии «Информационные технологии в образовании» автора Захаровой И.Г [2].

Каждый из создаваемых КСО должен обеспечивать должную защиту данных, если таковые имеются и соответствовать общим требованиям руководителей и преподавателей к их содержанию и структуре.

Учебные пособия «Информационные системы» автора Федоровой Г.Н., «Автоматизированные информационные системы» автора Мезенцева К.Н. и «Проектирование информационных систем» автора Емельяновой Н.З. содержат достаточно полную информацию о том, из чего состоят информационные системы, их архитектуре, о правильном анализе предметной области, о подходах и этапах их программирования.

Программное обеспечение может хранить важную информацию в БД. И если оно находится в сети, то эти данные необходимо защитить. В книгах Гуда А.Н. «Информатика. Общий курс» и Василькова А.В «Информационные системы и их безопасность» описаны главные моменты при разработке баз данных и основные защитные средства и методы.

1.2 Обзор существующих программных средств для обучения

Российские университеты и различные организации, занимающиеся разработками информационных систем, уже давно участвуют в сфере образования в рамках предоставления собственных технологии для улучшения процесса обучения студентов, устраняя недостатки, увеличивая его быстродействие и расширяя возможности. Информационные системы, как правило, представляют собой виртуальные лабораторные стенды, электронные учебники и практикумы, программные комплексы по контролю уровня знаний обучаемых, а также дистанционные системы. Рассмотрим ниже примеры некоторых из них.

Электронное учебное пособие по теме «Математическое моделирование систем и объектов» [3]. Данный учебник содержит восемь глав, в каждой из которых имеются свои разделы. В разделах помимо материалов приводятся примеры и задания для решения и ответы на них для самостоятельной проверки, также присутствует список литературы по определенной тематике, если это необходимо для обучения. Пособие было спроектировано и подготовлено Рябовой Е.В. под руководством доктора физико-математических наук Попова И.Ю.

Компанией StarSoft, Inc, в свое время разработавшей программные комплексы для графического и статистического анализа, представлен электронный учебник по статистике, содержащий в себе огромное количество тем, объединенных сферой применения. Имеется примеры применения статистики и визуальный материал - графики, диаграммы [4].

Батищевым С. был разработан электронный учебник, содержащий информацию для обучения базовым навыкам работы с компьютером, ответы на самые часто задаваемые вопросы, также тестирование по различным разделам. Данное пособие находится в свободном доступе, размещено в сети интернет. Этим же автором была разработана целая электронная библиотека, в составе которой большое количество книг и пособии необходимых студентам, как для обучения, так и для подготовки курсовых, практических работ. Имеет такие возможности как создание электронных книг, ввод данных по ним, поиск по ключевым словам, просмотр статистики поиска и просмотра книг [5].

Лабораторные комплексы SunSpire Art group включают в себя набор виртуальных лаборатории и технических симуляторов. Каждый лабораторный стенд представляет собой модель, имитирующую работу реального оборудования и помогающего понять принцип его работы, действия. Комплексы охватывают различные сферы подготовки специалистов и предназначен для выполнения лабораторных работ по конкретным направлениям. Включает в себя такие темы как: механика, безопасность жизнедеятельности и охрана труда, гидравлика, открытые потоки, теплотехника, общая физика, гидравлическое моделирование кольцевых, тупиковых и комбинированных водопроводных сетей, структурно-имитационное моделирование дисперсных систем, применяемых в технологии строительных композиционных материалов [6].

Программы для дистанционного обучения (ДО) студентов представлены такими системами как, например, STELLUS, Competentum.Magister и Learning Space 5.0.

С помощью STELLUS можно подготавливать теорию и тесты для проверки обучаемых, составлять индивидуальные и групповые расписания, проверять уровень знаний, получать статистические отчеты. Одним из преимуществ системы является ее использования в автономном режиме (без доступа в Интернет) на некоторых этапах процесса, имеет возможность интеграции с другими системами ДО [7].

Система Learning Space 5 содержит материал для освоения, итоговые тесты по курсам [8]. Также предполагает участие в лекциях в виртуальном классе, для преподавателей имеются отчеты.

Competentum.Magister разработка компании ФИЗИКОН [9]. Система имеет web-инетерфейс и предназначена для тестирования. Студенты имеют возможность прохождении курсов представленных в каталоге. Преподаватель может создавать тесты, просматривать результаты завершенных курсов и активность пользователей.

MyTestXPro 11.0, INDIGO, OpenTest -программы, представляющие собой средства для тестирования и оценки уровня знаний студентов.

MyTestXPro 11.0 оснащена модулем тестирования, редактором тестов и модулем журнала тестирования [10]. Комплекс поддерживает несколько типов заданий: множественный и одиночный выбор, на поиск соответствия, на определение правильного порядка следования, указать пропущенное и открытые вопросы на ввод ответа.

Система тестирования INDIGO позволяет оценить уровень подготовки обучаемых, провести контроль знаний по различным дисциплинам [11]. В программе также предусмотрено редактирование тестов, отображение результатов в журнале.

Харьковский национальный университет разработал программное обеспечение OpenTest также направленное на подготовку и располагает всем необходимым функционалом, с помощью которого можно провести для студентов промежуточный и итоговый контроль [12].

1.3 Обзор рейтинговых систем оценки знаний учащихся

Рейтинговые системы, прежде всего, нацелены на мотивирование студентов к освоению материала, призваны дать стимул на получение результата от прохождения обучения.

Рейтинг студента является одним из важных показателей в оценке уровня его подготовленности.

В настоящее время в нескольких университетах имеются свои системы, такие как, например, БАРС (Балльно-рейтинговая система) в Московском энергетическом институте [13].

В данном комплексе учитываются несколько характеристик: учебная, научная и социальная деятельность. По каждой из них выставляются свои баллы. Итоги, как правило, подводятся в конце семестра.

В такой системе оценки переводятся в 100-бальные значения:

- 90, 95, 100 соответствуют 5;

- 75, 80, 85 соответствуют 4;

- 60, 65, 70 соответствуют 3;

- 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 соответствуют 2.

В системе рассчитывается балл текущего контроля, после чего оценка за освоение дисциплины определяется как средневзвешенное величин полученных по текущему контролю. Для получения оценки за освоение всей выбранной дисциплины учитывается, когда получен допуск студентом к экзамену (до начала сессии или в ходе ее) и балл промежуточной аттестации. Для выставления итоговых результатов опять же используются соответствия оценок 100-бальной системе.

Воронежским государственным технологическим университетом был разработан программный продукт оценки уровня компетенции выпускников [14]. Проводятся расчеты с учетом рейтинга успеваемости по каждой отдельной аттестации и в целом по конкретной дисциплине, во внимание учитывается вес каждой пройденной студентом контрольной точки, при этом имеется возможность указать другие характеристики (к примеру, соблюдение сроков сдачи), которые могут повлиять на итоговый рейтинг выпускника.

Определение максимальной оценки по рейтингу, которую может получить за освоение темы обучающийся, часто зависит от количества часов и наибольшей величины отметки за прохождение одно раздела из конкретной темы, после чего получается общее количество баллов.

Бийский технологический институт представил свою разработку - систему учета успеваемости студентов.

Комплекс предоставляет возможность вводить оценки, учитывать различные виды пройденной аттестации, хранить данные за несколько семестров, рассматривать рейтинг по дисциплинам, просматривать необходимую отчетность. Приложение доступно посредством web-браузера.

В свое время Шахтинским институтом Южно-Российского государственного технического университета была разработана программа по учету посещаемости и успеваемости студентов. В программный комплекс также вносятся все необходимые для подсчета рейтинга данные. Он позволяет хранить их, просматривать. При этом в процессе занесения данных можно указать статус или по-другому уровень контроля, так экзаменационные отметки ценятся выше, чем отметки, полученные в ходе промежуточных аттестации и других контрольных точек.

2. Разработка принципов и структуры электронного практикума по информатике

2.1 Структура системы, назначение и описание модулей

Основная задача разрабатываемого электронного практикума - проверка уровня знаний студентов по представленному курсу. Использование автоматизированных комплексов в образовательном процессе позволит более плодотворно и действенно использовать учебные часы, выделенные на конкретную дисциплину. Приложение проведет тестирование, обработает результаты проверки и предоставит их преподавателю.

Основой являются разделы, которые обучаемые проходят в рамках дисциплины «Информатика», а именно: системы счисления, представление информации, измерение информации и программирование на языке Pascal.

Для проверки знаний по перечисленным темам разрабатываются задания. Для каждой из тем должно быть реализовано три этапа освоения и закрепления материала. Практические задания вместе с теоретическим материалом в качестве вступительной части для изучения, тестовая часть для промежуточной аттестации, и в завершении контрольная работа и кроссворд, обобщающий весь материал по дисциплине.

Для критериев, по которым будут оцениваться работы, должна существовать возможность их редактирования. Преподавателю должен быть доступен для просмотра журнал успеваемости обучаемых и их рейтинг как общий, так и в разрезе по частям проверки и темам. Помимо этого, должна существовать возможность редактирования заданий, представленных в практикуме. В каждой из тем должны быть подтемы (подразделы). В каждом тесте должно быть несколько вариантов для решения. Должен быть доступен весь необходимый материал для подготовки и соответствовать изучаемому курсу.

Итак, к основному назначению системы можно отнести:

- тестирование для оценки уровня знаний обучаемых;

- обработка итогов проверки и выставление баллов;

- хранение в базы всей необходимой информации (вопросы, задачи, ответы, список студентов, результаты).

На рисунке 2.1 приведена функциональная структура электронного практикума по информатике.

На структуре представлены следующие модули: преподавателя, студента, авторизации, выполнения практических заданий, тестирования, выполнения контрольных заданий, решения кроссворда, редактирования, журналирования.

Модули студента и преподавателя хранят всю информацию, относящуюся к пользователям.

Модуль авторизации предназначен для входа и регистрации пользователей в системе.

Модуль выполнения практических заданий предназначен для студентов и разделен на четыре темы, из которых состоит весь практикум: системы счисления, представление информации, измерение информации, программирование на языке Pascal.

Доступ к тестам и контрольной осуществляется только после решения определенного количества задач.

Модуль тестирования включает в себя несколько вариантов для решения.

Контрольные работы по темам представлены в модуле выполнения контрольных заданий. Прежде чем перейти к контрольной части, необходимо набрать проходной балл.

Модуль решения кроссворда как заключительная часть проверки знаний содержит в себе вопросы из курса информатики.

Модуль редактирования предназначен для преподавателей и предоставляет доступ к добавлению, изменению и удалению заданий электронного практикума, а также критериев оценивания.

Модуль журналирования предназначен для доступа к просмотру результатов тестирования и проверки знаний студентов и их рейтинг по промежуточным аттестациям и итоговому контролю.

Рисунок 2.1 Функциональная структура электронного практикума по информатике

2.2 Разработка рейтинговой системы оценки знаний учащихся

Для того чтобы оказать влияние на студентов в процессе обучения и дать стимул в достижении результатов, необходимо разработать рейтинговую систему оценки, которая будет отражать итоги проверки знаний на различных этапах.

За основу при разработке системы взят метод Борда. Метод представляет собой упорядочивание альтернатив (в данном случае студентов) на основе сумм рангов назначенных альтернативам экспертами (в данном случае конкретная часть в конкретной теме).

Если число студентов равно m, тогда за последнее место присуждается 1 балл, а за первое m. Последовательность использования метода выглядит следующим образом:

- на первом этапе для каждого объекта с номером i определяется величина S_i, равная сумме рангов, присвоенных объекту всеми экспертами по формуле:

(2.1)

m - количество ранжируемых.

- на втором этапе определяется ранг объекта, он соответствует месту объекта в отсортированном по возрастанию списке значений сумм S_i.

Отметку студент получает в соответствии с критериями оценивания, установленными преподавателем в программе, после чего его оценка заносится в журнал.

На основе этих результатов и складывается рейтинг обучаемых, при этом важно какую из частей практикума решал студент. Так отметка, полученная за контрольную работу и кроссворд, являющихся итоговым контролем как по конкретной теме, так и по всей дисциплине в целом, имеет большую значимость в рейтинговой системе. Для учета этой характеристики каждая часть будет иметь вес, что необходимо учитывать в основном при составлении общего рейтинга успеваемости. Таким образом будет определятся ранг, присвоенный обучаемому.

Для каждого из этапов проверки отметки, полученные в результате решения заданий по темам, суммируются, умножается на вес этой части, в итоге получаем сумму баллов, набранную обучаемым за конкретную часть.

Далее, применяя метод Борда, можно проранжировать результаты в разрезе по этапам проверки. Для формирования рейтинга по выбранной теме суммируются оценки, полученные за каждую часть с учетом ее веса.

Общая итоговая рейтинговая таблица формируется следующим образом:

Складываются отметки, полученные за определенный блок проверки по каждой из представленных тем, умножаются на весовой показатель и суммируются, итоги сортируются в порядке возрастания, после чего применяется выбранный метод для ранжирования.

Таким образом, составляется рейтинг по каждой из тем практикума, по каждому блоку проверки (практика, тесты, контрольная) и общий по всему пройденному курсу дисциплины «Информатика».

2.3 Системно-информационный подход к содержанию практикума

Системный подход рассматривает объект как систему, но так как информация в любой системе является основой, и именно над ней проводятся манипуляции, то в данном подходе необходимо учесть информационную составляющую.

Все данные, необходимые для того чтобы преподаватель мог использовать данное программное обеспечение в целях обучения, должны храниться в базе данных.

Содержание практикума основывается на рабочей программе преподавателя. Для наполнения практикума необходима подготовленность и хорошая ориентированность в темах данной дисциплины. Подготовка заданий играет самую важную роль, при внесении они должны четко соответствовать курсу, который представлен в программном комплексе. Преподаватель может отредактировать внесённые ранее вопросы, добавить, удалить те, которые считает нужным, используя предоставленные в программе разработчиком формы.

Есть несколько основных блоков, где используется информация, предоставляемая преподавателем. Блок практических заданий направлен на обучение студента теоретическому материалу и помощь в его освоении. Блок тестирования направлен на закрепление этих знаний, на обучение навыкам применять знания не к типовым задачам. Блок контрольной части направлен на проверку того, на сколько студент готов применять свои знания, насколько усвоил пройденное и сможет ли в дальнейшем быстро и эффективно ориентироваться в подобных вопросах.

В свою очередь при решении в практикуме любой ответ, данный обучаемым, сравнивается с тем, который введен преподавателем в базу как правильный, результаты решения студентами являются входной информацией и хранятся в базе данных. Итоги проверки могут выводиться для преподавателя по его запросу в программе. На этих результатах основывается рейтинг, сами показатели рейтинга не хранятся в базе, а формируются и представляются в виде итоговой таблице в самом практикуме.

3. Построение электронного практикума по информатике

3.1 Проектирование практикума с использованием CASE-средств

При проектировании будем использовать следующие нотации:

ѕ функциональное моделирование SADT (подмножество IDEF0), является технологией структурного анализа;

ѕ IDEF3 для отображения причинно-следственных связей;

ѕ диаграммы потоков данных DFD.

При применении SADT методологии получается модель, состоящая из некоторого количества диаграмм. Стрелка сверху показывает управляющую информацию, входящие данные показаны с левой стороны, выходные данные показаны с правой стороны блока, а механизм (человек или автоматизированная система), который выполняет операцию, указан снизу блока [15].

На рисунке 3.1 представлена контекстная диаграмма.

Рисунок 3.1 Контекстная диаграмма

Контекстную диаграмму можно декомпозировать на столько уровней, насколько это необходимо. Диаграммы нижних уровней отобразят внутреннюю структуру блоков родительской. Таким образом, формируется иерархия диаграмм.

Диаграмма декомпозиции первого уровня IDEF0 отображена на рисунке 3.2. На рисунке 3.3 представлена диаграмма декомпозиции второго уровня.

Рисунок 3.2 Диаграмма декомпозиции первого уровня

Рисунок 3.3 Диаграмма декомпозиции второго уровня

В таблице 3.1 представлены основные элементы представленных диаграмм IDEF0 и в таблице 3.2 представлено описание функциональных блоков.

Таблица 3.1

Основные элементы диаграммы IDEF0

Название проекта: Разработка электронного практикума по информатике
Цель проекта: Реализация структурной функциональной модели электронного практикума
Технология моделирования: метод функционального моделирования IDEF0
Инструментарий: программное обеспечение BP Win 4.1
Список данных	Перечень функций
Данные о студентах курса Задания к практическим, тестовым и контрольным работам Критерии оценивания обучаемых Рабочая программа по дисциплине Электронный практикум Преподаватель Журнал успеваемости обучаемых Итоговая таблица с рейтингом студентов	А0.Разработка электронного практикума по информатике
Данные о студенте Задания к практическим, тестовым и контрольным работам Список студентов, имеющим доступ к системе Критерии оценивания обучаемых Рабочая программа по дисциплине Электронный практикум Журнал успеваемости обучаемых Промежуточный рейтинг Итоговый рейтинг	A1.Регистрация и вход в систему А2.Выбор темы А3.Выполнение практических работ А4.Решение тестовых заданий А5.Решение контрольных заданий А6.Решение кроссворда
Данные студентов Задания к практическим, тестовым и контрольным работам Критерии оценивания Рабочая программа Электронный практикум Результаты решения практической части	А31.Выбор раздела практической части А32.Получение результата А33.Проверка, набрано ли достаточное количество баллов А34. Переход к выполнению тестовой части

IDEF3 будет использоваться для отображения причинно-следственных связей. На диаграммах в данной методологии можно увидеть условия и порядок следования процессов.

На рисунке 3.4 представлена диаграмма IDEF3.

В таблице представлено описание основных элементов IDEF3. В таблице представлено описание функциональных блоков.

Таблица 3.2

Описание функциональных блоков диаграммы IDEF0

Наименование блока	Описание решаемых задач
1	2
A1. Регистрация и вход в систему	На этом этапе пользователь проходит регистрацию и авторизацию в системе
А2. Выбор темы	Этап, на котором обучаемым выбирается тема для решения
А3.Выполнение практических работ	Этап выполнения студентом практических заданий по выбранной теме
А4. Решение тестовых заданий	На данном этапе выполняется выбор варианта теста для решения и выполняется
А5. Выполнение контрольных заданий	Этап, на котором студент выполняет задания, являющиеся итоговыми по выбранной теме
А6. Решение кроссворда	Этап проверки знаний представленный в виде кроссворда
А21.Выбор раздела практической части	Этап, на котором выбирается раздел из практики
А22.Получение результата	На данном этапе студент получает информацию о своих результатах
А23.Проверка, набрано ли достаточное количество баллов	Этап, на котором система проверяет, набрал ли студент достаточное количество баллов для доступа к блоку тестирования
А24. Переход к выполнению тестовой части	При соблюдении ограничении, студент на этом этапе переходит к тестированию



Рисунок 3.4 Диаграмма IDEF3

Таблица 3.3

Описание функциональных блоков IDEF3

Название проекта: Разработка электронного практикума по информатике
Цель проекта: Реализация структурной функциональной модели ЭП
Технология моделирования: метод описания бизнес-процессов IDEF3
Инструментарий: программное обеспечение BP Win 4.1
Перечень действий	Тип соединения
	Название	Вид
3.Решение заданий на тему «Представление информации» 4.Решение заданий на тему «Измерение информации» 5.Решение заданий на тему «Системы счисления» 6.Решение заданий на тему «Программирование на языке Pascal»	Соединение «ИЛИ» J1	Разворачивающее
7.Выполнение практической части на выбранную тему	Соединение «ИЛИ» J2	Сворачивающее

Таблица 3.4

Описание функциональных блоков IDEF3

Наименование блока	Описание решаемых задач
1.Вход в систему	Ввести логин и пароль для входа в систему
2.Выбрать темы	Перейти к выбору тем для решения
3.Решение заданий по теме «Представление информации»	Выбирается тема «Представление информации».
4.Решение заданий по теме «Измерение информации»	Выбирается тема «Измерение информации».
5.Решение заданий по теме «Системы счисления»	Выбирается тема «Системы счисления».
6.Решение заданий по теме «Программирование на языке Pascal»	Выбирается тема «Программирование на языке Pascal».
7.Выполнение практческой части на выбранную тему	Выбирается практическая часть для решения и перейти к выполнению заданий
8.Выполнение тестовой части на выбранную тему	Выбирается тестовый вариант для решения
9.Выполнение контрольной части на выбранную тему	Выбирается контрольная работа для решения
10. Решение кроссворда	Из главного меню выбрать кроссворд и перейти к решению

Диаграмма потоков данных. Источники информации называемые внешними сущностями порождают информационные потоки именуемые потоками данных, которые в свою очередь переносят информацию к подсистемам или процессам. Они со своей стороны преобразуют полученные данные и порождают новые потоки, несущие информацию либо на дальнейшую обработку, либо к конечному пользователю.

На рисунке 3.5 представлена диаграмма потоков данных (DFD - диаграмма). В таблице 3.5 представлено описание основных элементов, а в таблице 3.6 - описание её функциональных блоков.



Рисунок 3.5 DFD диаграмма

Таблица 3.5

Описание функциональных блоков DFD

Название проекта: Разработка электронного практикума по информатике
Цель проекта: Реализация структурной функциональной модели электронного практикума
Технология моделирования: метод функционального моделирования DFD
Инструментарий: программное обеспечение BP Win 4.1
Список данных	Перечень объектов	Хранилища данных	Внешние сущности
Подготовленные задания	Ввод заданий для практических, тестовых и контрольных частей	БД заданий	Студент
Информация по критериям	Ввод и изменение критериев	Результаты успеваемости студентов	Преподаватель
Результаты выполнения заданий	Выполнение заданий по различным темам	Критерии оценивания
	Оценка решенных задач по критериям
	Запись в журнал

Таблица 3.6

Описание функциональных блоков DFD

Наименование блока	Описание решаемых задач
1	2
Ввод заданий для практических, тестовых и контрольных частей	Преподаватель вводит и редактирует задания для студентов
Ввод и изменение критериев	Преподаватель также выставляет критерии, по которым будет производиться оценка
Выполнение заданий по различным темам	Студент выполняет задания компьютерного практикума
Оценка решенных задач по критериям	Производится проверка и выставляется оценка за решенные задачи
Запись в журнал	Результаты студентов записываются в журнал

Теперь обратимся к языку UML. Диаграмма вариантов использования (прецедентов) является одной из разновидностей диаграмм, представленных в данном языке моделирования [16]. Она отражает отношения между вариантом использования и актером. Актером называют некоторую внешнюю сущность по отношению к системе, которому предписывается конкретная роль. Прецедент или вариант использования это возможности, а также процесс или последовательность действий, которые доступны актеру при взаимодействии с системой. Прецедент изображается эллипсом, внутри которого надпись или краткое описание, соединяющимся с актерами при помощи сплошных линий.

Диаграмма вариантов использования представлена на рисунке 3.6.

Актерами являются: студент, преподаватель.

Варианты использования доступные преподавателю после входа в систему редактирование заданий к любым типам работ, имеющимся в практикуме, редактирование критериев оценивания, по которым выставляются баллы за пройденные задания, которые решает студент и просмотр журнала успеваемости и рейтинга студентов.

Дополним диаграмму текстовым сценарием, шаблон которого представлен в таблице 3.7.

Представим сценарий на основе варианта использования «Редактирование заданий практикума по дисциплине «Информатика»».

Рисунок 3.6 Диаграмма вариантов использования

Таблица 3.7

Шаблон для написания сценария отдельного варианта использования

Главный раздел	Раздел «Типичный ход событий»	Раздел «Исключения»	Раздел «Примечания»
Имя варианта использования	Типичный ход событий, приводящий к успешному выполнению варианта использования	Исключение №1 Исключение №2 Исключение №3	Примечания
Актеры
Цель
Краткое описание
Тип
Ссылки на другие варианты использования

«Главный раздел» представлен в таблице 3.8. «Типичный ход событий» отражен в таблице 3.9, а раздел «Исключения» - в таблице 3.10.

К еще одному виду диаграмм языка моделирования UML относится диаграмма деятельности, некоторая последовательность действий, позволяющая моделировать сложный жизненный цикл информационной системы. Такие диаграммы можно использовать для более детального описания внутренних процессов.

Таблица 3.8

Главный раздел сценария выполнения варианта использования «Редактирование заданий практикума по дисциплине «Информатика»»

Вариант использования	Редактирование практических заданий
Актеры	Преподаватель
Цель	Создание, ввод и редактирование вопросов и ответов для практикума
Краткое описание	Преподаватель составляет или подбирает задания для решения, редактирует их, подбирает варианты ответов к ним
Тип	Базовый

Таблица 3.9

Раздел «Типичный ход событий» сценария выполнения вариантов использования

Действия актеров	Отклик системы
1. Преподаватель осуществляет ввод данных для входа в систему Исключение №1: Преподаватель ввел неверные логин и пароль	2. Система открывает главную страницу для работы
3. Преподаватель редактирует задания для практической части	4. Система сохраняет изменения в заданиях для практической части
5. Преподаватель редактирует задания для тестовой части	6. Система сохраняет изменения в заданиях для тестов
7. Преподаватель редактирует задания для контрольных работ	8. Система сохраняет изменения в заданиях для контрольных работ
9. Преподаватель вносит изменения критериев оценивания	10. Система запоминает новые критерии
11. Преподаватель просматривает журнал успеваемости с результатами выполнения заданий	12. Система открывает форму с оценками студентов по выбранной теме и части

Таблица 3.10

Раздел «Исключения»

Действия актеров	Отклик системы
Исключение №1: Преподаватель вводит неверный логин и пароль
13. Пользователь вводит неверные логин и пароль	1Система предлагает ввести корректные данные

На рисунке 3.7 представлена диаграмма деятельности. Из диаграммы можно проследить последовательность действий конкретно пользователя - студента. Для первичного входа в систему необходимо зарегистрироваться в системе. В дальнейшем студенту нужно будет просто авторизоваться посредством логина и пароля. Пользователь выбирает тему для решения и переходит к поочередному выполнению заданий из разных блоков проверки. Для каждого перехода существует ограничение по количеству баллов, которые надо набрать, для перехода к решению кроссворда необходимо выполнить все контрольные по представленным темам.



Рисунок 3.7 Диаграмма деятельности

3.2 Разработка практикума по информатике

Главной целью является проектирование и реализация электронного практикума по информатике. Как любая информационная система практикум проходит определенные этапы в своей разработке, которые и необходимо рассмотреть.

3.2.1 Основные этапы разработки практикума

Разработка программного комплекса происходит в несколько этапов [16].

Первое с чего начинается весь процесс это анализ предметной области и требований, предъявляемых к практикуму и постановка задачи.

При анализе предметной области были выявлены следующие задачи:

ѕ должна быть подготовлена многоуровневая проверка знаний обучаемых с предоставление теоретического материала для подготовки;

ѕ представлен модуль для просмотра результатов тестирования и рейтинга студентов;

ѕ задания для проверки должны редактироваться.

Следующий этап - этап проектирования.

В рамках проектирования ведется разработка диаграмм для отражения общей структуры и связей, которые должны присутствовать в программном комплексе, логическая модель базы данных системы. Здесь определяются алгоритм работы, представляются блок-схемы его описания.

На этапе также выбирается будущая архитектура системы, программные продукты, с помощью которых будет вестись разработка, база, в которой будут храниться данные.

Далее следует этап разработки, реализации программного комплекса.

Описание модулей, которые были определены на более ранних этапах, переводятся в программный код. Результатом служит реализованное программное обеспечение.

После чего проводиться тестирование разработанного программного комплекса. Для этого выбирается метод тестирования и метод оценки надежности программного обеспечения.

Завершающий этап - непосредственная эксплуатация. Для корректной работы с программным комплексом представляются руководство для каждой из категории пользователей.

Наименование и порядок следования этапов представлен на рисунке 3.8

Рисунок 3.8 Основные этапы разработки

3.2.2 Алгоритмы работы

Для автоматизации процесса обучения нужно понять алгоритм работы и представить его описание. Структурная схема, представляющая из каких модулей в целом, будет состоять система, отображена на рисунке 3.9.

Из схемы видно, что практикум включает в себя базу данных для хранения всей информации и пяти блоков: обучения, проверки знаний, авторизации, ввода и редактирования заданий, результатов выполнения работ.

Рисунок 3.9 Структурная схема электронного практикума по информатике

Чтобы получить доступ к модулям работы пользователи должны пройти авторизацию.

Блок обучения предназначен студенту, при работе с ним он решает тесты и практические задания, имеет доступ к теоретическому материалу. Контроль над успеваемостью выполняется посредством контрольных работ и кроссворда в блоке проверки. Преподаватель в блоке редактирования осуществляет наполнение электронного практикума заданиями, здесь же он может их редактировать по своему усмотрению. Все итоги проверки отображаются в блоке результатов.

База данных хранит все вопросы, отметки студентов за прохождение различных работ и список пользователей системы.

Для каждого из категории пользователей необходимо разграничить доступ к функционалу в электронном практикуме.

Алгоритм работы системы отображен на рисунке

Функционал, который доступен системе студенту:

ѕ изучение тем из курса информатики при помощи теоретического материала;

ѕ закрепление полученных знаний при помощи разнотипных вопросов, представленных в практике и тестах;

ѕ оценка уровня подготовленности по пройденному материалу при решении контрольных работ;

ѕ просмотр итогов всех проверок.

Функционал преподавателя, доступный в системе:

ѕ добавление, удаление и изменение заданий;

ѕ корректирование критериев оценивания;

ѕ узнать результаты тестирования студентов посредством журнала;

ѕ ознакомиться с рейтингом студентов.

Все работы система проверяет автоматически, сразу после решения. Для практической части это проверка идет после каждого введенного ответа, который сравнивается с правильным, хранящимся в базе.

Алгоритм работы системы при проверки заданий в практической части отображен на рисунке 3.10. Общий алгоритм работы системы представлен на рисунке 3.11.

Основная суть заключается в следующем: вводится ответ и, если он не совпадает с правильным, практикум отправляет обучаемого назад к решению, иначе, при верном ответе, выводится следующий вопрос по теме.



Рисунок 3.10 Алгоритм работы системы при проверки практических заданий



Рисунок 3.11 Алгоритм работы системы

3.2.3 Реализация структуры интерфейса

При разработке интерфейс очень важен, так как при помощи его пользователь вводит все данные и пользуется всем функционалом системы. Сюда включены процессы ввода информации, ее вывода, диалоги между обучаемым и программным комплексом.

Использование меню наиболее популярный и востребованный тип интерфейса пользователя. Все возможные функции становятся сразу доступны посредством выбора одного из пунктов. С помощью меню очень удобно осуществлять переход между разделами.

Такой тип интерфейса улучшает взаимодействие обучаемого с программой, потому как нет нужды изучать язык общения, все интуитивно понятно. Функционал представлен в виде набора пунктов меню, из которых выбирается нужный.

Тип интерфейса для ввода данных и вывода информации, требуемой пользователю - экранные формы приложения. В данном случае на формы выводятся задания, которые будет решать студент, при неверном решении ответ можно исправить. В формах удобно выводить данные из запросов к БД.

Интерфейс электронного практикума по информатике по типу - смешанный. Так как в своей структуре содержит совокупность отдельных видов.

В программном обеспечении добавлено меню для навигации по приложению и экранные формы для обмена информацией между студентом и комплексом.

Требование, предъявляемое к интерфейсу и навигации это доступность, понятность, чтобы пользователь мог интуитивно ориентироваться при работе с электронным практикумом.

Для студента первичные пункты меню: Системы счисления, Представление информации, Измерение информации, Программирование на языке Pascal, Кроссворд.

Далее следует меню, состоящее из: практической части, тестовой части, контрольной части, материалов и результатов.

Для преподавателя такими пунктами являются: редактирование заданий, критерии оценивания, журнал, который в свою очередь подразделяется на непосредственно журнал и рейтинг студентов.

Также для каждого из пользователей есть меню «Помощь», меню «Справка».

Схема диалога для студента представлена на рисунке 3.12.

Структурная схема интерфейса электронного практикума представлена на рисунке 3.13.

На схеме представлено меню, доступное для конкретной категории пользователя, описание дает пояснение к тому, для чего каждый из пунктов предназначен.

Схема диалога для преподавателя на рисунке 3.14.

Рисунок 3.12 Схема диалога для студента



Рисунок 3.13 Структурная схема интерфейса компьютерного практикума



Рисунок 3.14 Схема диалога для преподавателя

3.3 Построение информационной модели данных

Построение информационной модели предполагает выделение информационных объектов путем изучения и анализа предметной области. Результатом является построение логической модели базы данных разрабатываемого программного обеспечения [17].

Источником информации будут служить входные документы.

Информационный объект характеризуется рядом признаков именуемых реквизитами. Выделим объекты, которые будут отображать некоторую сущность, хранящую информацию и установим зависимость реквизитов.