CC BY
64
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 004.415 В. В. Жебсаин
МЕТОДИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ ПРИКЛАДНОЙ 3D УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ «ФИЗИЧЕСКИЙ ЛАБИРИНТ 1.0»
На основе собственного научно-практического опыта разработки прикладных программных средств и информационных систем, учета требований и спецификаций к обучающим и контролирующим программам, разработана учебная компьютерная программа «Физический лабиринт 1.0», сочетающая элементы 3D логической игры с интерактивной методикой обучения физике, а также с эффективной системой контроля знаний студентов. Программа состоит из двух модулей: «АРМ преподавателя» и «АРМ студента». Первый модуль предназначен для преподавателей и позволяет реализовать следующие функции: создание тестовых заданий различных уровней сложности, учет и введение базы данных тестовых заданий, поиск, редактирование тестовых заданий, формирование отчетов по статистике тестовых заданий, учет и ведение базы данных ответов студентов, оценка и анализ ответов студентов, формирование и печатание различных аналитических отчетов по итогам тестирований, создание и редактирование конфигурации лабиринта и иных графических свойств программы. Модуль «АРМ студента» представляет 3D игровую программу в виде трехмерного лабиринта. В данном модуле цель игрока (студента) - выйти из лабиринта, проходя через многочисленные двери. При этом двери лабиринта открываются только при правильном выборе ответов на вопросы теста. Когда игрок, выдержав испытания, выходит из лабиринта, ему предлагается пройти следующий уровень игры. Таким образом, студенты должны пройти несколько уровней игры. Основные технологические функции модуля: создание игрока и камеры, создание 3D-объектов (стен, пола, потолка, дверей, кнопок и т. д.), составляющих 3D-лабиринт, воспроизведение игровой ситуации и принятие решений по правильности ответов, запись результатов работы.
Программа может применяться как для студентов высших учебных заведений, так и для учащихся общеобразовательных школ.
Ключевые слова: проектирование программного обеспечения, разработка программного обеспечения, технологии разработки программного обеспечения, компьютерное тестирование, разработка игровых программ, 3D-технологии, разработка учебного программного обеспечения, базы данных, информационные технологии, программное обеспечение.
V. V. Zhebsain
Methodical and Technological Issues of Development of the Applied 3D Training Program “Physical Labyrinth 1.0”
On the basis of own scientific-practical experience in developing application software and information systems, requirements and specifications for training and monitoring programs developed by the educational computer program “Physical Labyrinth 1.0”,
ЖЕБСАИН Василий Васильевич - к. ф.-м. н., доцент кафедры общей и экспериментальной физики Физико-технического института СВФУ им. М.К. Аммосова.
E-mail: zhebs@mail.ru
ZHEBSAIN Vasiliy Vasilievich - Candidate of Physical-Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of General and Experimental Physics, the Physical-Technical Institute, the North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov.
E-mail: zhebs@mail.ru
combining elements of 3D logical game with an interactive technique of teaching physics and effective system of control of students’ knowledge. The program consists of two modules: “Computer work station of teacher” and “Computer work station of student”. The first module is designed for teachers and enables the following functions: creation of test tasks of various levels of complexity, accounting and the introduction of a database of test tasks, search, edit, test tasks, generate reports on statistics of test tasks, registration and maintenance of the database of student responses, evaluation and analysis of the responses of students, forming and printing of various analytical reports on the results of the tests, create and edit the configuration of the maze and other graphic program properties. Module “Computer work station of student” represents 3D software in the form of three-dimensional maze. In this module the purpose of the player (student) is to escape from the labyrinth, passing through many doors. However, the doors of the maze can be opened only with proper choice of the answers to the test questions. When a player withstands the test comes out of the labyrinth, it is proposed to pass to the next level of the game. Thus, students must go through a few levels of the game. The basic technological functions of the module: create a player and camera, creating 3D objects (walls, floors, ceilings, doors, buttons, etc.) that constitute 3D maze, reproduction of a game situation and making decisions on appropriate responses, record of the results.
The program can be used both for students of higher educational institutions and pupils of comprehensive schools.
Key words: software design, development of the software, technology of development of the software, computer testing, development of game programs, 3D technologies, development of the educational software, database, information technologies, software.
Введение
Вступив в XXI век, можно с уверенностью утверждать, что одним из самых революционных и существенных достижений ушедшего XX века можно считать развитие информационных технологий и формирование информационного пространства. Многие исследователи небезосновательно считают, что новый XXI век пройдет под знаком беспрецедентного развития информационных технологий. Не принижая роль информационных технологий в других отраслях, все же следует особо отметить, что информационные технологии в образовании играют исключительно важную, основополагающую роль. В этой связи современность ставит новые безотлагательные задачи перед высшей школой в вопросах применения и разработки информационных технологий. В России как и во всем мире высшая школа всегда находилась в авангарде инновационных идей и технологий. И действительно, во многих вузах страны и ранее достаточно широко применялись технологии, ставшие основой современных информационных. Вместе с тем были времена, когда считали, что применение ЭВМ в учебном процессе может негативно повлиять на усвоение естественнонаучных дисциплин, например таких, как физика. И в наше время отношение к информационным технологиям как средству обучения не всегда однозначно. Тем не менее, значение и роль информационных технологий (ИТ) в жизни человека повышается с каждым годом, появляются всё новые и новые технологии, способствующие информатизации общества в целом и сферы образования в частности.
Проблема разработки программного обеспечения учебного, образовательного назначения многогранна и требует сбалансированного учета множества факторов как технологических, так и методических. Как утверждает исследователь Б. Б. Айсмонтас, в настоящее время в сфере разработки учебного программно-
го обеспечения наблюдается недооценка важности тех психолого-педагогических проблем, которые возникают при разработке обучающих программ [1]. Так же, по мнению данного автора, в настоящее время созданием ПО учебного назначения занимаются две группы разработчиков. Первая - это энтузиасты-преподаватели, сумевшие «выбить» некоторые финансовые ресурсы и сплотившие вокруг себя команду единомышленников. В результате создаются не очень совершенные с точки зрения использования изобразительных возможностей компьютеры, но содержательные по информационнометодическому наполнению программные продукты. Они ориентированы на компьютерную поддержку конкретного вида учебных занятий в рамках
определенного курса. Вторая — фирмы с большими материальными возможностями, но не имеющие опыта работы по организации и методическому
сопровождению процесса обучения. В результате получаются развлекательные и красивые, но практически не несущие функции обучения программы,
без четкой ориентации на конкретный курс и дисциплину [1].
Таким образом, как технологические, так и методические проблемы разработки программного обеспечения учебного назначения далеки от разрешения.
Как известно, цели, содержание, сценарий и даже внешний дизайн программного обеспечения определяются теми спецификациями и требованиями, которые предъявляет либо заказчик, либо потенциальный потребитель программного обеспечения.
По сведениям группы Стендиша выделены
три основных фактора, создающих проблемы при проектировании программного обеспечения [2]:
- недостаток исходной информации от клиента
- 13 % всех проектов;
- неполные требования и спецификации - 12 % проектов;
- изменение требований и спецификаций - 12 % проектов.
Таким образом, 37 % неудачных проектов
обусловлены некачественной работой с требованиями и спецификациями на начальных этапах разработки программного обеспечения.
Стоимость устранения ошибок при разработке программного обеспечения также зависит от
качества работ с требованиями и спецификациями. Так, если за единицу принять затраты на исправление ошибок, обнаруженных на стадии программирования исходного кода (кодирование) программного обеспечения, то стоимость исправления ошибок
на стадии выработки спецификаций и требований в 5-10 раз меньше соответствующих затрат на этапе программирования [3]. В то же время, ошибки, обнаруженные на более поздних стадиях разработки, многократно превышают стоимость устранения ошибок на стадии программирования.
Оценка стоимости устранения ошибок и дефектов, обнаруженных на различных стадиях разработки программного обеспечения, нормированная относительно стадии кодирования, приведена в таблице.
Вышеприведенные данные объясняют утверждение о том, что разработанные в рамках вуза с участием преподавателей программные средства более содержательны по информационно-методическому наполнению, нежели программное обеспечение, разработанное в специализированных софтверных предприятиях [1]. Действительно, разработки программного обеспечения в вузах производятся при непосредственном участии потребителя и с учетом практического опыта последнего, что способствует более качественной работе с требованиями и спецификациями на начальных этапах разработки программного обеспечения.
«Физический лабиринт 1.0»
На основе многолетнего практического опыта ранее разработанных [4-12] программных средств и систем, а также в тесном контакте с опытными преподавателями физики была спроектирована и разработана 3Б учебная программа «Физический лабиринт 1.0» (авторы: В. В. Жебсаин, А. А. Алексеев, П. П. Христофоров). Особенность данной разработки заключается в том, что в ней сочетаются элементы игровой программы с учебной тестирующей программой, а также с системой учета и анализа ответов студентов. Данная программа предназначена для студентов нефизических направлений подготовки. Перед разработкой программы были отмечены следующие основные проблемы, инициирующие реализацию проекта:
1) тестовые задания для студентов, хранящиеся
Таблица
Стоимость устранения ошибок и дефектов [3]
№ Этапы Стоимость
1 Время выработки требований 0,1 - 0,2
2 Проектирование 0,5
3 Кодирование 1
4 Тестирование компонентов 2
5 Приемка 5
6 Поддержка и обслуживание 20
в бумажном варианте или же в файлах MS Word, часто приводят к утере или же требуют много времени для поиска нужных вариантов;
2) студенты, отвечающие на тестовых испытаниях, часто допускают различные опечатки и помарки;
3) проверка и анализ выполненных тестовых заданий требуют значительных затрат времени;
4) учет и хранение тестовых оценок и баллов в бумажном варианте или в файлах MS Word (MS Excel) требуют для поиска и анализа много времени и усилий преподавателей;
5) подготовка новых тестовых заданий и их печатание в бумажном виде также приводят к определенным временным затратам.
В качестве средства для решения вышеуказанных проблем прикладная программа, должна реализовать следующие основные функции:
- учет и введение базы данных тестовых заданий;
- создание тестовых заданий различных уровней сложности;
- автоматизация процесса тестирования;
- реализация 3D игровой среды для повышения заинтересованности студентов к программе;
- учет и хранение ответов студентов в базе данных;
- ведение реестра тестовых оценок и баллов студентов.
Предполагаемых пользователей программного обеспечения можно разделить на две группы:
1) преподаватели вузов и иных учебных заведений, создающие тестовые задания, а также
обрабатывающие и анализирующие ответы студентов;
2) студенты или учащиеся, проходящие
тестирование.
Наличие двух отдельных групп пользователей
определил состав разрабатываемого программного
обеспечения следующим образом: модуль
«Автоматизированное рабочее место преподавателя» («АРМ преподавателя»); модуль «Автоматизированное рабочее место студента» («АРМ студента»).
Модуль преподавателя
Основное назначение модуля «АРМ преподава-
Рис. 1. Форма создания, редактирования и удаления вопросов
теля» заключается в предоставлении преподавателям удобного инструментария для создания тестовых заданий различных уровней, а также для ведения учета и анализа ответов студентов. Основные функции «АРМ преподавателя»:
- создание тестовых заданий различных уровней сложности;
- учет и введение базы данных тестовых заданий;
- поиск, редактирование тестовых заданий;
- формирование отчетов по статистике тестовых заданий;
- учет и ведение базы данных ответов студентов;
- обработка, оценка и анализ ответов студентов;
- формирование и печатание различных аналитических отчетов по итогам тестирований;
- создание и редактирование конфигурации лабиринта и иных графических свойств программы;
- ведение многопользовательского режима, добавление, редактирование, удаление учетных записей преподавателей и студентов.
В данном модуле тестовые задания и варианты ответа к ним (см. рис. 1), вводимые преподавателем, сохраняются в базе данных. Предусмотрена возможность работы приложения во многопользовательском режиме, т. е. на каждого преподавателя создаются учетная запись и пароль. Преподаватели, в свою очередь, создают тесты по различным разделам физики (см. рис. 2), конфигурацию лабиринта в виде карты, определяют степень сложности каждого игрового
уровня, распределяют вопросы теста по контрольным точкам на карте лабиринта. Также в «АРМ преподавателя» ведется учет, обработка, оценка и анализ ответов студентов. Таким образом, «АРМ преподавателя» ведет реестр (базу данных) как тестовых заданий, так и ответов студентов и учащихся, что позволяет формировать различные аналитические данные по ответам студентов.
Модуль студента
Модуль «АРМ студента» представляет 3D игровую программу в виде трехмерного лабиринта. В модуле реализован следующий сценарий тестирования: цель студента (учащегося) проходящего тест
- выйти из 3D-лабиринта. На дверях лабиринта представлены вопросы тестового задания, варианты ответа и соответствующие им кнопки. Студент отвечает на вопрос выбором кнопки с правильным ответом и нажатием на него. Если ответ правильный, то дверь лабиринта открывается и нажатая кнопка изменяет цвет с белого на зеленый (рис. 3). Если же ответ неверный, то дверь блокируется и кнопка окрашивается в красный цвет. При повторном нажатии дверь блокируется, кроме тех случаев, когда пользователь уже ответил на данный вопрос верно и он нажал на эту же кнопку повторно. Если же пользователь ответил правильно на вопрос, но по каким то причинам нажал повторно на кнопку с неверным ответом, то дверь также блокируется. Таким образом, студент при своем движении по лабиринту
Рис. 2. Форма создания, редактирования и удаления тестов
Рис. 3. Открытие двери. Кнопка окрашивается в зеленый цвет
должен ответить верно на №е количество вопросов ответы на вопросы теста, то через определенное и, проходя несколько уровней игры, найти выход из время будет заперт в лабиринте.
лабиринта. Если же он будет допускать неправильные Таким образом, главной особенностью разработан-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11
ной прикладной программы является сочетание элементов 3D логической игры с интерактивной методикой обучения физики, а также с эффективной системой оценки и анализа ответов студентов, основанной на возможностях СУБД.
Заключение
В настоящее время наблюдается недооценка методической составляющей обучающих программ, причиной которых является неполный учет спецификаций и требований на начальном этапе разработки программного обеспечения. Этот вывод подтверждается многолетним практическим опытом автора, разработавшим в разное время ряд программных средств и информационных систем учебного назначения. В данной работе выбраны технологические и методические пути решения вопросов и проблем разработки прикладного программного обеспечения учебного назначения, на основе которых разработана прикладная 3D учебная программа «Физический лабиринт 1.0», состоящая из двух модулей. Программа может применяться для реализации различных тестовых испытаний по физике как для студентов высших учебных заведений, так и для учащихся общеобразовательных школ.
Л и т е р а т у р а
1. Айсмонтас Б. Б. Некоторые психолого-педагогичес-кие особенности создания и использования компьютерных обучающих программ в вузе [Электронный ресурс]. http:// www.kazedu.kz/referat/93315 (01.12.2013 г.).
2. Гагарина Л. Г., Кокорева Е. В., Виснадул Б. Д.Технология разработки программного обеспечения. М.: «Форум - Инфра М». - 2009. - 400 с.
3. Иванова Г. С. Технология программирования. - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана. - 2002. - 241 с.
4. Жебсаин В. В. Разработка автоматизированной информационной системы оповещения и учета устных заданий, поручений «АЛГОРИТМ WF» // Физика и физическое образование. Материалы IV Республиканской научно-практической конференции, посвященной 100-летию доцента М. А. Алексеева. 18-19 октября 2012 г. -Якутск: Изд-во СВФУ. - 2012. - С.177-179.
5. Жебсаин В. В. Информационная система контроля документооборота RJ-2002 // Физика и физическое образование. Материалы IV Республиканской научнопрактической конференции, посвященной 100-летию доцента М. А. Алексеева. 18-19 октября 2012 г. - Якутск: Изд-во СВФУ. - 2012. - С. 171-177.
6. Жебсаин В. В. Прикладная программа-тренажер ЕГЭ // Информационные технологии в науке, образовании и экономике: Тезисы докладов 2-ой Республиканской научнопрактической конференции. Ч. II. - Якутск: Изд-во ЯГУ. -2003. - С. 46.
7. Жебсаин В. В. Автоматизация документооборота
предприятия в информационной системе RJ-2002 //
Информационные технологии в науке, образовании и экономике: Тезисы докладов 2-ой Республиканской
научно-практической конференции. Ч. I. - Якутск: Изд-во ЯГУ. - 2003. - С. 91.
8. Жебсаин В. В. Разработка корпоративного
программного обеспечения для учебных заведений (на примере информационной информационной системы “INFO STL”) // Проблемы и перспективы подготовки специалистов для промышленно-хозяйственного комплекса Республики Саха (Якутия): Материалы научн.-практ. конференции.
Якутск, 24 января 2003 г.Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН.
- 2003. - С. 157.
9. Жебсаин В. В. Разработка внутреннего программного обеспечения в высших учебных заведениях // Всеросс. конф. «Космо- и геофизические явления и их математические модели». 22-23 октября 2002 г. Якутск. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН. - 2002. - С. 109.
10. Жебсаин В. В. Единая информационная система персонифицированного учета образовательной и профессиональной деятельности Республики Саха (Якутия) // Всеросс. конф. «Космо- и геофизические явления и их математические модели». 22-23 октября 2002. г. Якутск. Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН. - 2002. - С. 107-108.
11. Жебсаин В. В. Сетевая прикладная программа
«Рейтконт 1.0» для автоматизации учета рейтинговых баллов студентов и учащихся // «Содержание и технология подготовки технических специалистов: проблемы,
идеи, решения». Тезисы докладов научно-практической конференции г. Якутск, 1-2 февраля 2002 г. - Якутск: Изд-во ЯГУ. - 2002. - С. 62-63.
12. Жебсаин В. В. Технология СОМ в разработке
прикладных программ // Информационные технологии в науке, образовании и экономике (29 ноября - 1 декабря 2001 г.). - Якутск: Изд-во ЯГУ - 2001. - С. 117.
R e f e r e n c e s
1. Ajsmontas B. B. Nekotorye psihologo-pedagogicheskie osobennosti sozdanija i ispol'zovanija komp'juternyh obuchajushhih programm v vuze [Jelektronnyj resurs]. http://www.kazedu.kz/referat/93315 (01.12.2013 g.).
2. Gagarina L. G., Kokoreva E. V., Visnadul B.
D.Tehnologija razrabotki programmnogo obespechenija. M.: «Forum - Infra M». - 2009. - 400 s.
3. Ivanova G. S. Tehnologija programmirovanija. M.: Izd-vo MGTU im. Baumana - 2002. - 241 s.
4. Zhebsain V. V. Razrabotka avtomatizirovannoj
informacionnoj sistemy opoveshhenija i ucheta ustnyh zadanij, poruchenij «ALGORITM WF» // Fizika i fizicheskoe obrazovanie. Materialy IV Respublikanskoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvjashhennoj 100-letiju docenta M. A. Alekseeva. 18-19 oktjabrja 2012 g. Jakutsk: Izd-vo SVFU. - 2012. - S. 177-179.
5. Zhebsain V. V. Informacionnaja sistema kontrolja
dokumentooborota RJ-2002 // Fizika i fizicheskoe obrazovanie. Materialy IV Respublikanskoj nauchno - prakticheskoj konferencii, posvjashhennoj 100-letiju docenta M. A. Alekseeva. 18-19 oktjabrja 2012 g. Jakutsk: Izd-vo SVFU. - 2012. -
S. 171-177.
6. Zhebsain V. V. Prikladnaja programma-trenazher EGJe // Informacionnye tehnologii v nauke, obrazovanii i jekonomike: Tezisy dokladov 2-oj Respublikanskoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Ch. II. Jakutsk: Izd-vo JaGU. -2003. - S. 46.
7. Zhebsain V. V. Avtomatizacija dokumentooborota predprijatija v informacionnoj sisteme RJ-2002 // Informacionnye tehnologii v nauke, obrazovanii i jekonomike: Tezisy dokladov 2-oj Respublikanskoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Ch. I. Jakutsk: Izd-vo JaGU. - 2003. - S. 91.
8. Zhebsain V. V. Razrabotka korporativnogo programmnogo obespechenija dlja uchebnyh zavedenij (na primere informacionnoj informacionnoj sistemy “INFO STL”) // Problemy i perspektivy podgotovki specialistov dlja promyshlenno-hozjajstvennogo kompleksa Respubliki Saha (Jakutija): Materialy nauchn.-prakt. konferencii. Jakutsk, 24 janvarja 2003 g.Jakutsk : Izd-vo JaNC SO RAN. - 2003. - S. 157.
9. Zhebsain V. V. Razrabotka vnutrennego programmnogo obespechenija v vysshih uchebnyh zavedenijah // Vseross. konf. «Kosmo- i geofizicheskie javlenija i ih matematicheskie modeli». 22-23 oktjabrja 2002 g. Jakutsk. Jakutsk: Izd-vo JaNC SO RAN. - 2002. - S. 109.
10. Zhebsain V. V. Edinaja informacionnaja sistema
personificirovannogo ucheta obrazovatel'noj i professional'noj dejatel'nosti Respubliki Saha (Jakutija) // Vseross. Konf. «Kosmo- i geofizicheskie javlenija i ih matematicheskie modeli». 22-23 oktjabrja 2002 g. Jakutsk. Jakutsk : Izd-vo JaNC SO RAN. - 2002. - S. 107-108.
11. Zhebsain V. V. Setevaja prikladnaja programma
«Rejtkont 1.0» dlja avtomatizacii ucheta rejtingovyh ballov studentov i uchashhihsja // «Soderzhanie i tehnologija podgotovki tehnicheskih specialistov: problemy, idei, reshenija». Tezisy dokladov nauchno-prakticheskoj konferencii g. Jakutsk, 1-2 fevralja 2002 g. Jakutsk: Izd-vo JaGU. - 2002. - S. 62-63.
12. Zhebsain V. V. Tehnologija SOM v razrabotke
prikladnyh program // «Informacionnye tehnologii v nauke, obrazovanii i jekonomike» (29 nojabrja - 1 dekabrja
2001 g.). Tezisy doklada. JaGU. Jakutsk: Izd-vo JaGU. -2001. - S. 117.
