Научная статья на тему 'Архитектура системы проведения удаленных соревнований и организации работы с математическими задачами'

Архитектура системы проведения удаленных соревнований и организации работы с математическими задачами Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
58
20
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СИСТЕМА ПРОВЕДЕНИЯ УДАЛЕННЫХ СОРЕВНОВАНИЙ / АРХИТЕКТУРА ПРОГРАММНОЙ СИСТЕМЫ / АВТОМАТИЧЕСКАЯ ПРОВЕРКА РЕШЕНИЙ

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Посов Илья Александрович, Рукшин Сергей Евгеньевич

Представлена структура и технические особенности системы для проведения удаленных соревнований и тестирований, ориентированной на проведение научных олимпиад для школьников, интересующихся естест-венными и техническими науками. Основная особенность данной системы способность к расширению методов ввода и проверки решений, поддержка широкого класса типов соревнований и различных методик контроля знаний

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Посов Илья Александрович, Рукшин Сергей Евгеньевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The paper presents the architectural structure and technical features of a system to execute distance tests and contests that is devoted to hold scientific Olympiads for students interested in natural and technical sciences. The main feature of the system is an ability to extend available input and checking methods for solutions, a support for a wide class of contest types and different techniques of knowledge control

Текст научной работы на тему «Архитектура системы проведения удаленных соревнований и организации работы с математическими задачами»

альтернативы может быть получено изоморфное отображение первого порядка ф| : Бк^ = Б^, а для второй альтернативы - изоморфное отображение второго порядка ф2 : Б^, = Б^ (рис. 2).

Следовательно, в соответствии с сущностью Б-принципа, в терминах формализации изоморфных отображений ОСМ можно сделать вывод, что вторая альтернатива организационной структуры предпочтительнее, поскольку для ее ОСМ получено изоморфное отображение более высокого порядка в ОСМ эталонной структуры.

Формализация поиска альтернатив управлений сложными системами, как поиска различных типов изоморфных отображений ОСМ Бк, представляет собой альтернативный вариант формализации принятия решений по управлению в си-

туациях, когда невозможны или, по крайней мере, сильно затруднены, непосредственная причинно-следственная оценка взаимосвязи альтернативы управления с параметрами управляемого объекта и аналитическое описание такой взаимосвязи. Предлагаемый подход реализуется как на этапе подготовки множеств эквивалентных эталонных по управлению состояний, так и на этапе идентификаций исследуемого состояния в классы множеств эталонных состояний. Использование синтаксических структурных моделей позволяет применять инвариантные, относительно предметной области, формализованные постановки и методы поиска различных типов их изоморфных отображений для интерпретации задач и методов идентификационно-структурного управления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Антонов, А.В. Системный анализ [Текст]/А.В. Антонов; 3-е изд., стер.-М.: Высш. шк., 2008.-454 с.

2. Клир, Дж. Системалогия. Автоматизация решения системных задач [Текст]/Дж. Клир; пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1990.-544 с.

3. Поспелов, Д.А. Ситуационное управление: теория и практика [Текст]/Д.А. Поспелов. -М.: Наука, 1986.-288 с.

4. Щербань, А.Б. Обобщённые структурные модели информационных объектов. [Текст] /А.Б. Щербань, К.Е. Братцев, Т.В. Жашкова [и др.]//Изв. высш. учеб. заведений: Поволжский регион. Сер. Технические нау-ки.-2009.-№ 1 (9).-С. 12-22.

5. Касти, Дж. Большие системы. Связность, сложность и катастрофы [Текст]/Дж. Касти; пер. с англ. -М.: Мир, 1982.-216 с.

УДК 004.031.42

И.А. Посов, С.Е. Рукшин

АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ ПРОВЕДЕНИЯ УДАЛЕННЫХ СОРЕВНОВАНИЙ И ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ С МАТЕМАТИЧЕСКИМИ ЗАДАЧАМИ

Одной из серьезных проблем, с которой столкнулось педагогическое сообщество в конце XX в. при попытке ввести в практику средства автоматизации учебного процесса, стало упрощенное представление механизмов усвоения знаний обучаемым. Развитие программированного обучения, создание автоматизированных систем обучения (АСО) основывалось на предположении о том, что обеспечение обратной связи в форме тестов, с которыми чередуется изложение материала, будет достаточным для эффективного обучения любому

предмету. Такой упрощенный взгляд был подвергнут обоснованной и содержательной критике, АСО были названы «электронными переворачи-вателями страниц» [1], однако, с развитием сети Интернет мы снова видим возрождение этого подхода в системах дистанционного обучения (ДО).

Основной причиной послужила реализация технократического подхода к поддержке педагогических процессов. «Программистами» создавалась система, которую «педагогам» предлагалось использовать сообразно тем правилам

и методикам, которые определялись техническими параметрами системы. При этом реальный педагогический опыт преподавателя практически игнорировался: ему предлагалось приспособить свои знания к данной системе.

После появления в 80-х гг. работ Симу-ра Паперта (в старой транскрипции - Сеймура Пейперта) [2] стало активно развиваться другое направление: создание микромиров. В микромирах научные знания представлялись моделями и инструментами, которыми ученик мог манипулировать, и именно управляемая деятельность и рефлексия становились основой для овладения фундаментальными идеями. Это направление дало толчок к развитию предметных сред обучения [3], которое в математике особенно ярко проявилось в развитии сред динамической геометрии [4].

В то же время, в системах поддержки ДО мы можем наблюдать, в основном, старый подход, когда для организации контроля знаний и проведения научных соревнований используются системы с узкоспециализированным набором форм организации деятельности и ограниченным набором форм представления решений и ответов на задания.

Крайнюю позицию занимают системы тестирования, в которых ответ выбирается из предложенных. Использование таких систем в организации ЕГЭ вызвало широкую критику, хотя имеются и удачные примеры использования этой технологии при проведении конкурса «Кенгуру» и осуществлению многопараметрического анализа знаний выпускников школ [5]. В любом случае, мы видим, что ограничения на формы деятельности преподавателя играют существенную ограничивающую роль для его творческой деятельности [6].

Эффективность систем динамической геометрии и их широкое распространение основано на разделении предметной и дидактической части в программных продуктах этого класса [3]: программисты работают над совершенствованием модели предметной среды (инструменты геометрических построений, преобразований, измерений и пр.), не вводя в систему никаких «дидактических» ограничений; преподаватели математики строят дидактическое окружение самостоятельно, сообразно их педагогическому опыту, методическим целям и особенностям контингента.

Целесообразно перенести этот подход на создание систем для проведения удаленных соревнований и организации работы с математическими задачами.

Постановка задачи

Для постановки задачи рассмотрим существующие подходы, используемые для проведения соревнований и организации работы с задачами. В первую очередь таким подходом является применение модулей тестирования, распространяющихся с системами ДО, самыми известными из которых являются Moodle, Sakai, .LRN. Системы позволяют создавать тестирования и проводить их среди учеников. Эти системы являются универсальными, т. е. подходят для широкого класса учебных предметов и поддерживают различные регламенты участия, включая настройки времени участия, ограничения на просмотр своих результатов и др. Недостатком подобных систем является ограниченность способов общения с учеником: в базовом случае участник может лишь выбирать варианты из нескольких предложенных или вводить ответ в строку ввода. Создавать тестирования можно вне рамок систем удаленного обучения. В Интернете в виде онлайн сервисов существует ряд систем для создания и проведения тестирований. Основное ограничение этих систем также состоит в ограниченности количества способов общения с участником.

Наибольшее число систем поддержки проведения олимпиад разработано для олимпиад по программированию [7]. Помимо проведения самих соревнований, они используются в кружках по программированию для проведения занятий и тренировок. Некоторые системы доступны в Интернете и могут использоваться для самостоятельных тренировок. Основной особенностью таких систем является широта спектра анализируемых решений: программа, написанная на любом (допустимом системой) языке, может автоматически анализироваться системой в качестве решения поставленной задачи. Решение проверяется на множестве тестов, которые пишутся авторами для каждой задачи. Последнюю особенность мы можем отождествить с одной из основных черт систем динамической геометрии - верификацией ответа на множестве примеров, которая позволяет при необходимости обеспечить обратную связь [8], и дает основу для анализа ошибок, допущенных при решении задачи. В то же время, регла-

мент, принятый в системах поддержки соревнований по программированию в существующих системах поддержки соревнований [7] встроен в систему, что не позволяет использовать ее для организации мероприятий по работе с этими задачами на основе другого регламента.

Последний класс систем - это системы, разработанные специально для проведения определенных олимпиад. Специализированные системы идеально справляются с олимпиадами, для которых были разработаны, но и набор возможностей по общению с учеником в них ограничен возможностями, необходимыми для конкретной олимпиады.

Таким образом, актуальной является задача разработки системы организации удаленной поддержки работы с задачами математического характера (включая задачи по информатике, физике, химии), которая:

допускает широкий спектр видов заданий и способов проверки правильности их выполнения;

позволяет легко комбинировать задачи с различными типами оформлений решений;

позволяет создавать различные регламенты работы, включающие временные параметры работы ученика, особенности диалога с ним в процессе автоматической обработки решений и оглашение частичных или полных результатов работы.

Приведем примеры желательных представлений решения задачи участником олимпиады, отсутствующих в существующих системах проведения олимпиад. Так, в олимпиадах по математике естественно в качестве ответа просить участника ввести объект, более сложный, чем число. Например, ввести ответ в графической форме или представить его предикатом от параметров задачи (т. е. в качестве ответа представить логическое суждение). Для решения задач по геометрии целесообразно использовать в качестве подключаемых модулей современные средства динамической геометрии. Они позволяют производить построения на чертеже, используя виртуальные инструменты, а также проверять правильность алгоритмов построений. Это дает возможность расширить класс геометрических задач, доступных автоматической проверке, задачами на построение.

Архитектура системы

Потребность расширять способы ввода и проверки решений накладывает требования на

формат представления задач в системе. Кроме условия и ответа, они должны содержать другую информацию, необходимую для системы проведения соревнований. Информацию, которая относится к одной задаче, можно понимать как набор файлов, хранящихся в некоторой папке или архиве. Данные архива могут значительно различаться по структуре в зависимости от задачи, и должны храниться в базе данных системы как атомарные объекты, с которыми система не может работать напрямую, а работает только через модули отображения условия и проверки решения.

Внутри архива задача должна содержать текст условия на естественном языке и формальное условие. Например, в геометрических задачах формальным условием будет файл с геометрическим построением и предикат, который используется для проверки правильности построения. Аналогично условию задачи, ответ также может быть разделен на две части - формальный и неформальный. В отличие от формального условия, формальный ответ должен обязательно присутствовать в задаче. Это те данные, которые используются для автоматической проверки решения, и обойтись без них невозможно. Неформальный ответ - это отформатированный текст с разбором задачи.

Формальное условие и формальный ответ не всегда удается отделить друг от друга. Например, в геометрических задачах на построение формальный ответа совпадает с условием, т. к. является проверочным предикатом. При разработке формата конкретного класса задач, разработчик должен самостоятельно принять решение, как распределить по файлам формализованные условия и ответы.

Формальное условие и формальный ответ не могут существовать без того объекта, который способен их понять. Каждой задаче необходимо содержать информацию о тех программных модулях, которые отображают формальное условие и автоматически проверяют ответ. Так же, помимо разобранной выше информации, архив с задачей может хранить дополнительные данные. Например, целесообразно хранить в задаче исходные данные, использовавшиеся для ее создания. Задачу в таком сложном формате невозможно собирать вручную, особенно если ее составляют преподаватели и методисты, не имеющие опыта программирования. Поэтому для составления задач необходимо разрабатывать отдельное про-

Общий план архитектуры системы

граммное обеспечение, которое будет хранить в файле с задачей дополнительную необходимую информацию.

Перейдем к обзору архитектуры самой системы проведения соревнований; ее общий план изображен на рисунке. При разработке архитектуры учитывался следующий набор возможностей системы:

управление правами на участие в соревнованиях;

выдача участникам условий задач и модулей для решения задач;

слежение за временем соревнования; перенаправление решений участников модулям проверки решений и составление таблицы результатов по получаемым ответам;

сохранение истории отосланных решений; выдача результатов соревнования в соответствии с правами на просмотр;

администрирование банков задач и соревнований;

организация общения участников и жюри, выдача информация о соревнованиях и пр.

Система должна представлять собой сервис, принимающий запросы от участников соревнований и администраторов. Сервис обрабатывает

запросы, которые варьируются от запросов на изменение параметров соревнований, таких, как настройки регламента, времени и других, до запросов участников, содержащих сдаваемые для проверки решения. В левой части изображен клиент системы, а справа - веб-сервис, система проведения соревнований. Стрелки отображают зависимости модулей друг от друга по данным или по исполнению. Выделение системы проведения соревнований в отдельный сервис и документирование его интерфейса дает возможность разработчикам реализовывать сторонние инструменты для работы с системой проведения соревнований, не ограничиваясь разработкой инструментов в рамках платформы, на которой создан основной клиент системы.

Клиент системы состоит из интерфейса участника, использующегося участниками во время проведения олимпиады, административного интерфейса, применяющегося жюри для создания соревнований и наполнения их задачами и участниками. Клиент системы хранит базу модулей участника, необходимых для отображения разных типов интерфейса ввода решений. При подключении участника к соревнованию модули активизируются и подключаются к интерфейсу участника

через окружение модулей. Окружение хранит информацию о решаемой задаче и предоставляет модулю интерфейс для доступа к генератору запросов для посылки решения задач и получения ответа.

На стороне сервера хранятся модули ввода решений. Они необходимы только для того, чтобы раздавать их участникам, которые по той или иной причине еще не имеют их у себя. Модули выдаются до начала олимпиады, чтобы уменьшить нагрузку на сервер. На сервере находятся модули проверки решений, которые получают информацию от модулей ввода и сообщают информацию о результате проверки. Система передает им решения участников и ждет ответ. Ответ приходит позже, когда задача будет проверена; он содержит сообщение, верно ли решена задача, количество баллов или другую релевантную информацию о результатах проверки.

Все решения, посылаемые участниками, сохраняются в журнале посылок. Результаты обработки решений, полученные в модулях проверки, также записываются в журнале посылок. Журнал посылок необходим для хранения истории, проведения апелляций и решения проблем, связанных с указанием неправильного ответа к задаче. Пройдя по журналу посылок, можно перепроверить решения участников после смены ответа. Каждый участник имеет доступ к связанным с ним записям журнала посылок.

Система следит за регистрацией участников соревнований. В некоторых случаях ее может производить только жюри, например, если это второй тур, в который прошли не все участники первого. Система выдает участникам задачи. Как было описано выше, задача содержит внутри себя намного больше информации, чем требуется для участника, поэтому часть обязанностей системы состоит в том, чтобы выделить информацию, которая будет отправлена участнику. Выдача условий задач может происходить либо одновременно, либо (как бывает при самостоятельной работе учащихся) в момент, когда участник запустил свое соревнование.

Система проведения олимпиад следит за временем. В простом понимании это означает, что участники не должны иметь возможность послать решение или получить условия до того, как олимпиада началась или после того, как она

закончилась. В слежение за временем входят и другие задачи. Например, от времени зависит, доступны ли участнику результаты свои или других участников. При классическом тестировании после окончания доступны только свои результаты, а до окончания - ничьи. В олимпиадах во время соревнования доступны результаты других участников. Исключением является конкурс «Конструируй, исследуй, оптимизируй» (КИО) [9], в котором участники соревнуются в решении оптимизационных задач, при этом не зная о прогрессе конкурентов.

За формирование результатов отвечает отдельный модуль, в первом приближении он соответствует генератору турнирной таблицы. Таблица хранит только часть информации о решениях участников и выдает разную информацию для разных типов пользователей. Например, если в настройках соревнования указано, что участник во время олимпиады имеет доступ только к своим результатам, то при формировании результатов для отображения участнику будет создана только одна строка турнирной таблицы. Помимо уже обсужденных особенностей соревнований, связанных со временем доступа к результатам, сами результаты имеют сложную структуру. В классической ситуации участник получает за каждую задачу некоторое количество баллов. В некоторых олимпиадах, кроме баллов за задачу, участник получает штрафные баллы, например, за неверные попытки. В конкурсе КИО формат результата по задаче отличается в каждой задаче. Если в задаче требуется построить, например, как можно более короткий путь, результатом будет одно число - длина пути. В другой постановке это могут быть уже два числа, например, длина пути и количество требующихся поворотов. Поэтому модуль формирования результатов должен уметь правильно отобразить результаты участников, сравнить их и расположить по порядку, определив победителей.

Мы рассмотрели возможности, которые, в общем случае, должна иметь система проведения удаленных соревнований. Основные требования к системе - это поддержка большого количества методов ввода и проверки решений с возможностью расширения и поддержка различных регламентов проведения соревнования. Требование

расширяемости делает необходимым ввод таких сущностей, как модули создания задач, ввода и проверки решений, и документированный интерфейс общения модулей с системой. Набор

модулей не фиксирован, способен расширяться. Отсутствующие модули могут быть реализованы и добавлены в систему по инициативе преподавателей и методистов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Nivergelt, J.A. Pragmatic Introduction to Courseware Design [Текст]Л\А Nivergelt//Computer, IEEE Computer. Society-Sept. 1980.-P. 7-20.

2. Пейперт, С. Переворот в сознании. Дети, компьютеры и плодотворные идеи; пер. с англ.-М.: Педагогика, 1989.

3. Башмаков, М.И. Информационная среда обучения [Текст]/М.И. Башмаков, С.Н. Поздняков, Н.А. Резник. -СПб.: Свет, 1997.

4. Самахова, А.А. Европейский образовательный проект по динамической геометрии ИнтерГео [Текст]/ А.А. Самахова//Компьютерные инструменты в школе. -2009.-№ 4.-С. 10-19.

5. Российская страница международного математического конкурса «Кенгуру» [Электронный ресурс]/ http://www.kenguru.sp.ru/

6. Pozdnyakov, S. Challenging mathematics beyond the classroom enhanced by technological environments [TeKCT]/S. Pozdnyakov, V Freiman, D. Kadijevich [et al.]//Challenging Mathematics In and Beyond the Classroom-Springer Science-Business Media, LLC, 2009.-Ch. 3.-P. 97-131.

7. Северо-Восточный Европейский полуфинальный регион Чемпионата мира по программированию среди студентов ACM ICPC [Электронный ресурс]/ http://neerc.ifmo.ru/information/index.html

8. Манцеров, Д.И. Cреда Verifier-KD: верификация решений задач по математике [Текст]/Д.И. Манцеров// Компьютерные инструменты в образовании.-2006. -№ 4.-С. 36-41.

9. Посов, И.А. Разбор задач «Задача отшельников» и «Математическое скалолазание» конкурса КИО-2009 [Текст] / И.А. Посов // Компьютерные инструменты в школе.-2009.-№ 4.-С. 20-27.

УДК 519.873

М.Ф. Моледу

РАСПРЕДЕЛЕННОЕ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

ДЛЯ ВЕТРОПАРКОВ

Современные тенденции развития технологических производств, объектов промышленного назначения требуют создания новых технологий управления большими распределенными объектами и процессами. Например, задачи оперативного управления технологическими комплексами, распределенными энергосистемами и электросетями.

Традиционным подходом к управлению большими системами являлись системы с централизованной структурой управления, особенность которых - алгоритм жесткой централизации, предполагающий фиксированное закрепление алгоритмов управления за отдельными подсистемами, что приводит в некоторых ситуациях к возникновению проблем, связанных с неэффективностью управления. Это происходит по следующим причинам: сложность модели объекта и

высокая размерность, труднопредсказуемые ситуации, большие потоки информации, подлежащие обработке, задержки в оперативности обработки поступающей информации и принятии решения в распределенных объектах, многоуровневая иерархия целей. Анализ перечисленных проблем показал, что одной из перспективных стратегий в решении подобной задачи является децентрализованное управление на основе использования агентного подхода и принципа распределения подзадач между отдельными подсистемами [6].

Ветропарки - системы производства энергии, являющиеся автономными и управляемыми модулями производства. В текущем технологическом состоянии каждый конвертер-турбина-генератор следует рассматривать как модуль. Этот модуль в настоящее время работает как отдельная си-

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.