CC BY
21
Зеленко Л.С.
Самарский государственный аэрокосмический университет имени акад. С.П. Королёва (национальный исследовательский университет), г. Самара, к.т.н., доцент кафедры программных
систем, Zelenko .Larisa . s @gmail . com
ДИСТАНЦИОННАЯ ИГРОВАЯ ОБУЧАЮЩАЯ СИСТЕМА «3DUCATION»: ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ И СРЕДСТВА ПОДДЕРЖКИ
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
E-Iearning, игровой подход, технологии виртуальной реальности, трехмерное пространство, веб-приложение, Git-репозиторий, база данных.
АННОТАЦИЯ
В статье описываются основные возможности дистанционной обучающей системы «3Ducation», рассматривается ее архитектура, а также назначение и возможности всех входящих в него компонентов. Система «3Ducation» построена на двух принципах: игровом подходе и технологии виртуальной реальности, которая позволяет перенести процесс обучения внутрь трехмерного пространства и сделать обучающее пространство более интересным, а процесс обучения более увлекательным. С помощью игрового подхода реализуются активные методы педагогической деятельности, он позволяет постоянно поддерживать и даже увеличивать интерес к обучению.
Введение
В настоящее время дистанционное обучение (e-learning) становится всё более популярным, практически все образовательные учреждения представляют свои курсы в электронном виде и обеспечивают доступ к ним в режиме онлайн. Виртуальные информационно-образовательные системы (среды) — относительно новый вид обучающих систем, который объединяет в себе особенности традиционных систем обучения, электронных обучающих сред и достижения в области информационных технологий. Под информационно-образовательной средой обычно понимают «системно-организованную совокупность средств передачи данных, информационных ресурсов, протоколов взаимодействия, аппаратно-программного и организационно-методического обеспечения, ориентированную на удовлетворение образовательных потребностей пользователей» [1]. Виртуальные образовательные среды обеспечивают комплексную методическую и технологическую поддержку дистанционного образовательного процесса, включая обучение, управление образовательным процессом и его качество. Объем хранимой в такого класса системах информации при возможностях современных информационных технологий не имеет принципиального значения, значит, обучение может стать более интересным и насыщенным за счет использования в процессе обучения объектов 3D-графики, видеоматериалов и др.
В настоящее время существует достаточно много виртуальных и дистанционных обучающих систем, тем не менее остаётся актуальной задача создания виртуальных сред, использующих современные информационные технологии, в частности технологии виртуальной реальности, которые позволяют сделать обучающее пространство более интересным, а процесс обучения более увлекательным.
Дистанционная обучающая система «3Ducation», разрабатываемая на кафедре программных систем СГАУ под руководством автора, построена на двух принципах:
1. Игровой подход, который нацелен на повышение заинтересованности обучаемых с помощью введения в системе интерактивности и постоянной обратной связи, поощрения за достижения, возможности командной работы и присутствия соревновательного элемента.
2. Виртуальная реальность обеспечивает перенос процесса обучения внутрь трехмерного пространства, это позволяет постоянно поддерживать и даже увеличивать интерес к обучению, а, следовательно, может повысить эффективность обучения.
«Перемножив» возможности передовых информационных технологий с педагогическим потенциалом, можно выстроить индивидуальный образовательный путь для каждого
обучающегося с учётом его потребностей и особенностей восприятия информации.
Архитектура и структура системы
Система «3Ducation» построена по трёхзвенной архитектуре технологии клиент-сервер, ее архитектура представлена на рис. 1.
К серверной компоненте системы относится сервер приложения и база данных. Наличие сервера приложения позволяет использовать единожды реализованную логику приложения и в настольном и в мобильном клиенте. Серверная часть системы реализует архитектуру MVC (ModelView-Controller), которая определяет три уровня:
• Уровень представления веб-страниц портала.
• Уровень бизнес-логики приложения и доступа к данным.
• Уровень данных.
Клиентская часть системы представляет собой простой веб-браузер, который используется для просмотра страниц на сервере (пользователю только необходимо установить на своем компьютере небольшой плагин Unity Web Player). 3D-сцены виртуального мира интегрируются в HTML-страницы, поэтому обучаемый может перемещаться по виртуальному пространству точно так же, как по страницам обычных Интернет-сайтов.
Мобильное приложение реализует все основные функции базовой версии системы. В системе мобильное приложение реализовано под наиболее популярные у пользователей операционные платформы: Android, Windows Phone, iOS.
Система «3Ducation» имеем сложную структуру (рис. 2), она состоит из большого числа подсистем, каждая из которых решает задачи, обеспечивающие поддержку работы системы и ее взаимодействия с другими системами, входящими в информационное пространство Школы информатики (ШИ) СГАУ: системы электронного дистанционного обучения (СЭДО), построенной на базе LMS Moodle, и автоматизированной информационной системой (АИС), которая обеспечивает информационную поддержку организации учебного процесса.
Структура серверной части системы
Серверная часть обучающей системы включает в себя подсистему создания учебного контента, которая включает в себя редактор учебных курсов, графический редактор построения траектории обучения и генератор тестов и тестовых заданий.
Редактор учебных курсов (рис. 3) предназначен для разработки и редактирования учебных курсов, дает возможность преподавателю наполнять учебный курс теоретическим материалом (лекциями, которые разбиты на параграфы), индивидуальными 3^-заданиями, тестами (тренировочными и контрольными).
ДИСТАНЦИОННАЯ ОБУЧАЮЩАЯ СИСТЕМА «3DUCAÏION»
Серверная часть системы
Подснгтена секздання небного контента
Редактор учеоньт курсов
Графичгскнй ргдакгор построения траектории ооучення
Генератор TfCTOB н тестовых заданий
Редактор ПСЮТ II LUti-K'HOi-
мсгоьън заданий
Ж
Файловая полсисгсма
f
ту
Jz
CJ
3
Подснстгма жспс-рт а тссгоЕьгг галанЕШ в СЭДО1ШI
Подсистема импорта таеового контента мСЭДОШИ
Подсистема администрирования
neustwtTtiii раегты с пользам г ель СШЫН ДО С LIL+ÎÏIHÂMH Подсвстема рлсоты С КОHT«ВТОМ мо-сактА Подсястсма р iöorar с газж»ю1_.
Подсистема сетевого взаимодействия
Подсистема учета нольдентелкх нх достижений
Подсистема авторкмшнн
Клиентская часть системы
LTniEv-3D Engine
Поде lie Тс Hi еогэддяня виртуального пространства
Подсястеыа reiiepMpt>B анил виртуального мнра
ПоДСЛСТСИЛ ЕИ5\аЛИШ1|!И
Подсистема сетевого з«анмолсйсгЕ]гя
Подсистема выбора ntucûHaaa
Подсистема ü j л и мо дс н н к с ВИрТУЗЛЬНЬШ 1[НрОА[
Подсистема уч*та пользовательских достижений
Подсискма «мши ЗГМадганА
Поденетяо управлеяш (для .мобильного клиента)
Рис. 2. Структурная схема системы «3Ducation»
ЗОисаНоп | Дистанционная обучающая система на основе виртуальных миров — Русский " English ¡Е Выйти
(* И Ф V Виртуальный мир Редактор курсов Пользователи Редактор связей I О проекте g Генератор тестов
Редактор курсов
ы Удалить параграф 1 Поднять + Опустить
Список учебных материалов Параграф В
Sctenco
f Л<фО»Ус11Л'с1
I Ьууошша « н
• ; 11 :>ik
- I ^пемоТОМ
- • I :ылмо?01Ь
', Коцщюиам*; •»(форма**" i <оди)х>1а м<' »«форма*« ' очощыо чнакм ' Cl Rie,нчл' 0.» «одиюмачда ичфовма и-* < омощыо 63 Iл .j..Ы'ОЛ« сис им ' M I JIWM(J чмррлми mÇopuai __Ci Анфдоиньи ciкхоО peuciauicm» л<
06 Коиираиам> «унанои л<форма
_ <OiJHLKIiJW H«t9!)va^1.1
— C8 <ai.w*w мл notai .мфомм tu
09 Системы счиелвмя
10 no-Htw-ccji-t.» icmwci.Vимл-
Заголовок параграфа: об. Кодирование звуковой информации
Текст параграфа: Восприят>
Звуксвые волны улавливаются слуховым органом и вызывают в нем раздражение, которое передается по нервной системе в головной мозг, создавая ощущение звука. Колебания барабанной перепонки в свою очередь передаются во внутреннее ухо и раздражают слуховой нерв. Так образом человек воспринимает звук. Звук представляет собой волну, которая характеризуется следующими параметрами:
- Высотой звука,которая определяется частотой колебаний вибрирующего тела.
- Громкостью звука, которая определяется энергией колебательных движенш
- Длительностью звука,которая определяет продолжительность колебаний.
- Тэмбром звука называется окраска звука.
ть амплитудой колебаний.
□т 20 колебаний в секунду (20 Герц, Ht
информации в цифровую
С начала 90-х годов персональные компьютеры получили компьютер, имеющий звуковую плату, микрофон и колонн звуковую информацию.
Аудиоадаптер (звуковая плата) - специальное устройство, подключаемое к компьютеру, предназначенное для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в числовой двоичный код при вводе звука и для обратного преобразования (из числового кода в электрические колебания) при воспроизведении звука.С помощью специальных программных средств (редакторов звукозаписей) открываются широкие возможности по созданию, редактированию и прослушиванию звуковых файлов. Создаются программы распознавания речи и, в результате, ть управления компьютером при помощи голоса.
Рис. 3. Редактор учебных курсов системы «3Ducation»
Графический редактор построения траектории обучения (рис. 4] позволяет преподавателю на основании структуры учебного курса построить траекторию обучения, определив связи между структурными элементами курса и задав последовательность их изучения (прохождения].
Генератор тестов и тестовых заданий дает возможность преподавателю создать шаблоны тестовых заданий и настраивать структуру тестов по той или иной теме (на основе проблемно-ориентированного языка], на основании которого будет автоматически создан «стек» типовых заданий различной сложности. Эти функции реализованы в редакторе тестов и шаблонов тестовых заданий. При необходимости сгенерированные задания и тесты можно записать БД в СЭДО Школы информатики СГАУ, либо сформировать текстовый файл формата Microsoft Office (*.docx), за это отвечает подсистема экспорта тестовых заданий.
Файловая подсистема отвечает за хранение файлов, необходимых для обеспечения работы системы в целом.
Подсистема сетевого взаимодействия обеспечивает поддержку совместного прохождения учебных курсов и обучения пользователям системы.
ЗОис-пюп1 Днаанцисн+ш обучанэщап система на. основе виртуальны* миров — Pyetrafi F? Engnh & Бьй1и
{*, щ Ий Виртуалыый мир Редактор курсов Пользователи V Редактор еппэей Т О проекте i Генератор тесное
ИнфСриЭГжЗ и ИКТ
? СгайАннг^ g! ЛЙиСн^ь
Подсистема импорта учебного контента служит для конвертации тестов и лекций из БД СЭДО Школы информатики СГАУ в БД системы «3Ducation».
Подсистема администрирования включает в себя три подсистемы: подсистему работы с пользовательскими достижениями, которая позволяет администратору системы редактировать пользовательские достижения; подсистему работы с контентом веб-сайта, которая позволяет поддерживать наполнение сайта актуальным содержанием; подсистему работы с пользователями, которая позволяет редактировать учетные записи пользователей.
Подсистема учёта пользовательских достижений отвечает сбор и сохранение результатов обучения пользователя, контроль выполнения заданий, получение игровых достижений. Помимо этого, подсистема подсчитывает игровые монеты и рейтинг обучаемого на основании его деятельности.
Подсистема авторизации обеспечивает проверку данных пользователей при входе системы с помощью технологии, основанной на технологии OpenID, взаимодействия с автоматизированной информационной системой (АИС) «Школа информатики СГАУ», в которой хранятся все данные о пользователях всех систем, входящих в информационное пространство школы информатики СГАУ.
Структура клиентской части системы
Клиентская часть системы взаимодействует с сервером через интернет-соединение по протоколу TCP/IP, а с другими клиентами по протоколу RUDP. В ее состав входят:
• «Движок» Unity-3D Engine, на котором построено виртуальное пространство системы.
• Подсистема создания виртуального обучающего пространства включает в себя подсистему генерирования виртуального пространства и подсистему визуализации. Виртуальное обучающее пространство состоит из двух частей: постоянной и динамической. Постоянная часть представлена в виде холла и включает в себя место выбора курса из списка всех доступных курсов, а также вводную информацию о разработчиках, кафедре и университете. Динамическая часть представляет собой набор связанных комнат/коридоров и генерируется автоматически на основе структуры выбранного курса и комнат-шаблонов, внутрь которых загружается конкретное содержание. Подсистема визуализации позволяет по-разному оформить комнаты виртуального мира и использует для этого различные шейдеры.
• Подсистема выбора персонажа предназначена для предоставления возможности пользователю выбирать аватара, которым он будет управлять в виртуальном мире.
• Подсистема сетевого взаимодействия предназначена для обеспечения взаимодействия и
передачи данных между клиентами и сервером.
• Подсистема взаимодействия с виртуальным миром включает в себя логику взаимодействия персонажа пользователя с объектами игрового пространства, такими как кабинка телепортации или информационный стенд.
• Подсистема создания 3D-заданий позволяет преподавателю создавать индивидуальные трехмерные задания по двум разделам информатики, которые будет выполнять обучаемый.
• Подсистема управления, которая обеспечивает взаимодействие мобильного клиента с серверной частью системы.
Обеспечение сетевого взаимодействия для мобильного клиента
В настоящее время система «3Ducation» реализована в виде многопользовательской виртуальной образовательной среды, где учащиеся могли бы совместно выполнять учебные задания, кооперируясь и общаясь между собой, в том числе используя мобильную версию системы.
Разработка многопользовательского режима потребовала изменения и/или добавления следующих режимов работы системы:
• поддержка совместного прохождения выбранного курса обучения;
• совместное прохождение тестовых заданий в кооперативных, конкурентных и командных режимах;
• расчет статистики процесса обучения;
• возможность коммуникации между участниками.
При разработке сетевой части системы возникли следующие основные проблемы, присущие мобильным устройствам, и были найдены способы их решения:
1. Устройство может иметь нестабильное соединение с интернетом: качество соединения зависит от множества факторов: мощность сигнала, скорость соединения, тип используемого соединения (Wi-Fi, 4G, 3G, Edge или GPRS). Решение: использовать протокол RUDP для передачи большинства данных.
2. Устройство может принудительно ограничивать соединение с интернетом: мобильные устройства работают от батареи и имеют небольшой срок автономной работы. Для увеличения этого времени разработчики ОС и производители устройств стараются ограничить потребление одного из самых «прожорливых» компонентов — радиомодуля. Решение: добавить механизмы для приостановки обучения при потере соединения.
3. Устройство может легко менять IP-адрес: при использовании интернета через сотовую сеть IP-адрес устройства зависит от используемой им базовой станции оператора, что приводит к тому, что в условиях слабого приема или при перемещении пользователя он меняется очень часто. Аналогичная ситуация происходит при подключении/отключении Wi-Fi сети. Решение: не учитывать при действиях пользователя IP-адрес, для идентификации использовать только cookies и xsrf-токен.
Технологическая поддержка работы системы
Дистанционная обучающая система «3Ducation» широко использует возможности технологии виртуальной реальности (Virtual Reality). Критерием выбора базовой технологии стала возможность интеграции виртуальных миров в браузер, которая бы обеспечила целостность системы. После тщательного анализа выбор был остановлен на бесплатной версии игрового «движка» Unity3D, создатели которого (компания Unity Tech-nologies [2]) описывают его как «самый мощный бесплатный игровой движок». Уровень графических эффектов Unity3D превосходит и O3D, и X3D, но куда более ценным фактом является его простота, удобство и стабильность. Графический редактор позволяет быстро моделировать геометрию сцены, не прибегая к написанию кода. Для импорта любого ресурса достаточно переместить соответствующий файл в папку с проектом. Большим достоинством Unity3D является внушительная коллекция готовых ресурсов — предметов обихода и моделей персонажей с готовым и гибко настраиваемым кодом, отвечающим за управление и движение камеры. С помощью движка Unity3D систему можно разработать быстро и в полном объеме, избежав неочевидных трудностей, способных затормозить или остановить работу.
В число программных средств разработки системы входят следующие среды и технологии:
• среда разработки Microsoft Visual Studio 2010 и язык программирования C#;
• технология разработки веб-приложений ASP.NET 4.0;
• фреймворк ASP.NET MVC Frame-work 3.0;
• технология доступа к данным Entity Framework 4.0;
• система управления базами данных Microsoft SQL Server 2008;
• программное обеспечение для сервера IIS 7.5;
• JavaScript-библиотека ExtJS 4.0;
• среда разработки Unity Editor 3.4;
• трёхмерный графический редактор Blender 2.6.
Одна из основных функций системы — это обработка и хранение данных, а также корректное их отображение при генерации виртуального мира. Для этого используется технология доступа к данным Entity Framework, которая позволяет автоматически генерировать базу данных и все таблицы на основании созданных разработчиком сущностных классов и заполнять их первоначальными данными, если таковые были им определены. Данная технология контролирует все изменения, выполненные в ходе разработки системы, на уровне кода и при необходимости изменяет структуру базы данных. Выбор Entity Framework определил и выбор СУБД: Microsoft SQL Server 2008 также входит в семейство технологий от Microsoft и лучше других гарантирует безошибочную работу вышеописанных функций. Данные, необходимые для функционирования системы «3Ducation», хранятся в базе данных, кроме того, часть данных хранится на сервере в виде файлов.
Командная разработка системы с использованием GIT-репозитория Разработкой системы «3Ducation» занимается большая команда разработчиков, что обязывает использовать систему контроля версий. После проведения сравнительного анализа систем такого класса была выбрана система контроля версий GIT, т.к. она обладает следующими достоинствами [3]:
• децентрализованность (наличие локального репозитория, содержащего полную информацию обо всех изменениях, позволяет вести полноценный локальный контроль версий и «заливать» в главный репозиторий только полностью прошедшие проверку изменения);
• хорошая поддержка нелинейной разработки;
• эффективная работа с большими проектами;
• высокая производительность и скорость работы;
• надежная система сравнения ревизий и проверки корректности данных, основанные на алгоритме хеширования SHA1 (Secure Hash Algorithm 1);
• расширяемость и настраиваемость (существует большое количество графических оболочек, позволяющих быстро и качественно вести работы с Git^).
Одним из используемых в репозитории расширений является упрощенная схема git-flow, состоящая из веток master, develop и features. Согласно ей в команде разработчиков системы «3Ducation» существует несколько веток:
• ветка, в которой всегда содержатся только версии-релизы,
• ветка, в которой хранится код между выходами новых релизов,
• набор веток, в каждой из которых происходит разработка только одной фичи (feature). Таким образом, использование системы контроля версий Git позволило четко
организовать работу команды разработчиков, синхронизировать процесс разработки и повысить надежность разрабатываемой системы. Заключение
Система «3Ducation» предназначена для дистанционного обучения школьников средних и старших классов базовому курсу «Информатика». Система обеспечивает единый интерактивный способ доступа к информационным ресурсам образовательного пространства Школы информатики СГАУ как со стороны преподавателя, так и со стороны обучаемого.
Литература
1. Концепции создания и развития единой системы дистанционного образования в России. URL: http://www.e-joe.ru/sod/97/2_97/st064.html.
2. Официальный сайт Unity3D. URL: http://unity3d.com/company/.
3. About — Git. URL: http://git-scm.com/about.
4. Андропова Е.В. Опыт разработки дистанционного курса для студентов физико-математического факультета // Психология образования в поликультурном пространстве. - 2010. - Том 2 (№ 2). - С. 75-81.
