CC BY
33
ИНФОРМАЦИОННО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
УДК 004.9
ПРОГРАММИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО КУРСА НА ОСНОВЕ
АВТОМАТНОГО ПОДХОДА
М.В. Плешкова, А.В. Лямин
Описан электронный курс в системе дистанционного обучения AcademicNT, основанной на компетент-ностном модульно-рейтинговом подходе. Разработана графическая нотация для описания моделей электронного курса на основе конечно-автоматного подхода. Определены компоненты состояний. Построены типовые диаграммы переходов и проведен анализ зависимости количества состояний от количества модулей электронного курса и способа доступа к ним. Предложена методика моделирования логики курса в среде Stateflow системы МайаЪ.
Ключевые слова: электронный курс, теория конечных автоматов, диаграмма переходов.
Введение
Учебно-методический комплекс (УМК) в системе дистанционного обучения Аса-demicNT - совокупность учебно-методических материалов, необходимых и достаточных для организации учебного процесса по дисциплине и способствующих эффективному освоению студентами учебного материала. На рис. 1 изображена структура УМК.
Программа дисциплины
Электронный курс Электронный курс Электронный курс
1 . 1 .
Сценарий Сценарий Сценарий
1 1
1 1
Страница/Кадр Страница/Кадр Страница/Кадр
Рис. 1. Структура УМК
УМК основывается на рабочей программе соответствующей дисциплины. Программа дисциплины может содержать несколько электронных курсов. В электронном курсе определяется последовательность сценариев работы студента с системой. Сценарии могут быть представлены электронными тестами, виртуальными лабораториями, электронными практикумами, конспектами или информационными ресурсами. Каждый сценарий содержит набор страниц или кадров, которые описывают интерактивное взаимодействие с системой.
Основными компонентами электронного курса являются метаданные, оглавление, дерево переменных курса, список возможных состояний. В метаданных определяются название курса, автор, учебное заведение, в котором используется данный курс. Оглавление курса служит для ориентации студента по курсу и представляет собой иерархическую модульную структуру, каждый модуль которой может являться контейнером для других модулей или ссылкой на конкретный сценарий. Переменные курса используются для вычисления рейтинга студента по курсу и при проверке условий переходов в состояния компетентности. Совокупность всех объявленных переменных образует синтаксическое дерево, значение переменной может быть задано в виде числа или функции.
Состояния компетентностей определяются как требования к знаниям и практическим умениям, которые должны быть сформированы у студента при освоении соответствующих компетенций [1]. Состояние в курсе позволяет определить список доступных студенту сценариев и правила изменения переменных курса в зависимости от процента набранных баллов, затраченного времени и количества использованных попыток.
Применение теории конечных автоматов
В состояниях курса можно выделить следующие компоненты: события, условия и действия. К событиям относятся инициализация модуля и завершение сценария. В условиях определяется: количество запусков сценария с момента начала обучения; время, прошедшее с момента начала обучения; проценты набранных баллов по результатам как последней, так и всех предыдущих попыток; значения переменных курса. Под действиями понимаются следующее: изменение значения переменной курса, переход в новое состояние, запуск сценария.
На рис. 2 представлен процесс инициализации модуля. После инициализации модуля первым проверяется условие доступа к элементу. Если доступ разрешен, то предпринимается попытка перехода в новое состояние и происходит запуск сценария. По завершению сценария могут быть выполнены изменения переменных курса, переход в новое состояние и повторная инициализация модуля.
с
Инициализация модуля
О
Переход в новое состояние
К5
Переход в новое состояние
Изменение переменных курса
▼ ►( Запуск сценария
Завершение сценария
Рис. 2. Процесс инициализации
При работе с курсом студент приобретает определенные компетенции, в зависимости от результатов работы осуществляется переход студента из одного состояния курса в другое. Программирование данных переходов осуществляется на основе конечно-автоматного подхода. При этом автомат переходов имеет одно начальное состояние, которое определяет начало обучения, и одно конечное состояние, которое свидетельствует о получении результирующей компетенции. Переход из состояния в состояние
может осуществляться при инициализации модуля или при завершении сценария. Выходом автомата является новое значение рейтинга [2].
На рис. 3 приведено графическое изображение алгоритма прохождения электронного курса с двумя испытаниями, которые необходимо сдать в заранее определенном порядке. Прямоугольниками обозначены состояния, номер состояния указан в верхнем левом углу. Внутри прямоугольника окружностями обозначены тесты, около окружности стоит номер теста. Если вход в тест в некотором состоянии разрешен, то окружность, находящаяся в прямоугольнике, который соответствует этому состоянию, закрашена. Переходы из состояния в состояние обозначены стрелками. На стрелке указывается номер теста, который обусловил переход. Номера тестов на переходах имеют верхний индекс "*", "+" или "-". Символ "*" указывает на то, что переход вызван входом в тест. Символ "+" указывает на то, что переход вызван завершением работы с тестом, и попытка сдачи теста считается успешной. Символ "-" указывает на то, что переход вызван завершением работы с тестом, и попытка сдачи теста считается неуспешной. На рис. 3 обозначено: х0 - начальное состояние студента в курсе, в котором доступен для сдачи первый контрольный элемент; XI - состояние аттестации, в которое переходит студент при выборе первого элемента, при этом входы во все обучающие элементы курса заблокированы. При неуспешной сдаче элемента осуществляется обратный переход в состояние х0, при успешной сдаче - переход в состояние х3, в котором доступен для сдачи следующий контрольный элемент; х4 - состояние аттестации, в которое переходит студент при выборе второго контрольного элемента. При неуспешной сдаче элемента осуществляется обратный переход в состояние х3, при успешной сдаче -переход в конечное состояние х6, которое свидетельствует о том, что все этапы контроля пройдены. В данном курсе введены еще два дополнительных состояния х2 и х5, которые используются для назначения дополнительных попыток на аттестацию по первому и второму контролю соответственно, переходы студента в эти состояния происходят по желанию преподавателя дисциплины.
Рис. 3. Диаграмма состояний курса с последовательным прохождением элементов
На рис. 4 приведено графическое изображение алгоритма прохождения электронного курса с тремя испытаниями. В данном курсе испытания можно проходить в любом
порядке. Данный автомат не включает состояний для аттестаций и состояний для назначения дополнительных попыток, но без учета этих нюансов для описания автомата потребовалось 8 состояний. Если бы количество испытаний составляло 10, то потребовалось бы 1024 состояния, так как легко показать, что количество необходимых состояний вычисляется по формуле 2Н, где N - количество испытаний [3]. Быстрый рост состояний затрудняет программирование автомата и управление электронным курсом. Чтобы уменьшить количество состояний, необходимо расширить автомат - ввести дополнительные условия. В данном условии проверяются значения переменной курса, в которую заносится количество успешно сданных испытаний. На рис. 5 приведен пример автомата с использованием условий.
Рис. 4. Диаграмма состояний курса с произвольным прохождением элементов
Рис. 5. Диаграмма состояний курса с произвольным прохождением элементов
с использованием условий
Здесь х0 - начальное состояние студента в курсе, в котором доступны для сдачи все контрольные элементы, х1 - состояние аттестации, в которое переходит студент при выборе одного из элементов, при этом входы во все обучающие элементы курса забло-
кированы. При неуспешной сдаче элемента осуществляется обратный переход в состояние х0. При успешной сдаче происходит проверка условия успешной сдачи двух предыдущих испытаний, на рис. 3 условие обозначено как 7=2, где Т - количество испытаний. Если все контрольные элементы были успешно сданы, то Т увеличивается на единицу и осуществляется переход в конечное состояние х3, в котором все контрольные элементы заблокированы. В противном случае, т.е. при Т<2, происходит обратный переход в состояние х0, где можно реализовать попытку сдачи других контрольных элементов, при этом переменная Т также увеличивается на единицу. В данном автомате введено состояние дополнительной попытки х2, в котором по решению преподавателя студенту может быть предоставлена возможность пройти контрольный элемент без учета ограничений. Сравнивая рис. 4 и 5, легко заметить, что использование условий при программировании логики курса значительно уменьшает количество состояний.
В системе АсаёешюКТ существуют электронные курсы, которые комбинируют в себе элементы с последовательным доступом и произвольным доступом. На рис. 6 приведен пример диаграммы курса со смешенным прохождением пяти контрольных точек.
Рис. 6. Диаграмма состояний курса со смешанным прохождением элементов
В начале обучения доступны первые три испытания с произвольным доступом, после успешного прохождения которых можно перейти к последовательной сдаче следующих двух. Здесь х0 - начальное состояние студента в курсе, в котором доступны для сдачи три контрольных элемента; х1 - состояние аттестации, в которое переходит студент при выборе одного из элементов, при этом входы во все обучающие элементы курса заблокированы. При неуспешной сдаче элемента осуществляется обратный переход в состояние х0. В этом автомате также реализована проверка условий успешной сдачи предыдущих испытаний для уменьшения количества состояний курса.
Таким образом, при успешной сдаче проверяется, были ли успешно сданы остальные контрольные элементы, если не были, то также происходит обратный переход в состояние х0, где можно реализовать попытку сдачи других контрольных элементов. Если же все контрольные элементы были успешно сданы, то осуществляется переход в конечное состояние х3, в котором доступен для сдачи четвертый контрольный элемент; х4 -состояние аттестации, в которое переходит студент при выборе четвертого элемента, при этом входы во все обучающие элементы курса заблокированы. При неуспешной сдаче элемента осуществляется обратный переход в состояние х3, при успешной сдаче - переход в состояние х6, в котором доступен для сдачи последний контрольный элемент; х7 - состояние аттестации, в которое переходит студент при выборе пятого контрольного элемента. При неуспешной сдаче элемента осуществляется обратный переход в состояние х7, при успешной сдаче - переход в конечное состояние х9, которое свидетельствует о том, что все этапы контроля пройдены. Также введены специальные состояния дополнительной попытки х2, х5 и х8, в которых по решению преподавателя студенту может быть предоставлена возможность пройти контрольные элементы без учета ограничений.
Моделирование курса
Negative
>
► "
о
Result test2
Result test:":
Tries
Tim
П
Rating
Message
Rating
Message
Рис. 7. Схема моделирования курса
Stateflow модуля 81шиИпк системы Ма^аЬ представляет собой интерактивную среду, управляемую событиями. Среда Statef1ow позволяет создавать модели, основанные на конечных автоматах в естественной и понятной форме, поэтому данный инст-
румент является наиболее подходящим для моделирования логики электронного курса, описанной выше.
Модель Stateflow является частью модели Simulink. На рис. 7 представлена схема моделирования курса, состоящего из трех испытаний. Таким образом, ключи управляют выполнением диаграммы Stateflow, внутри которой описана логика курса. На вход модуля Stateflow подаются результаты сдачи испытаний Result_test1, Result_test2 и Re-sult_test3, время сдачи Time, количество попыток Tries. Выходами являются рейтинг по курсу, который выводится на экране Rating, а также сообщения системы, которые показывают доступность элемента и выводятся на экране Message. Сообщение «0» указывает на то, что в данный момент элемент заблокирован, сообщение «1» - что доступен.
На рис. 8 показана диаграмма Stateflow схемы моделирования курса, показанной выше. Состояниями здесь являются состояния сдачи тестов. Переходы между состояниями указаны стрелками, рядом с которыми определены условия этих переходов. В условиях происходит учет попыток, времени, затраченного на испытание, а также проверка полученного процента баллов. Над переходами указаны условия сдачи и подсчета баллов. Внизу определены функции подсчета рейтинга, которые вызываются внутри состояний, а также пересчитываются при переходах между состояниями.
Рис. 8. Диаграмма Stateflow
Заключение
В статье введен формализм, который позволяет описать модель электронного курса. Выявлены наиболее важные условия, которые влияют на состояния компетентности и на рейтинг студента. Произведена оценка количества состояний в зависимости от правил доступа к модулям электронного курса. Разработана расширенная модель описания курса, позволяющая упростить его программирование и сопровождение за
счет уменьшения минимально необходимого количества состояний. Предложена методика моделирования электронных курсов в среде Statef1ow системы Ма^аЬ.
Представленные в работе результаты создают основу для разработки новых алгоритмов и инструментальных средств, позволяющих автоматизировать процесс программирования и модификации описаний электронных курсов с целью снижения трудоемкости разработки электронных УМК.
Литература
1. Васильев В.Н., Лисицына Л.С., Лямин А.В. Совершенствование СППК в области ИКТ на основе технологий сетевой ИС // Опыт использования сетевых информационных технологий и систем в образовательной и научно-методической деятельности. Сборник научно-методических статей. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. - С.75-77.
2. Лямин А.В., Плешкова М.В. Разработка среды программирования структуры электронных курсов // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 45. Информационные технологии. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. - С.164-166.
3. Лямин А. В., Плешкова М. В. Программирование структуры электронного курса // Труды XIV Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'2007». - Санкт-Петербург, 2007. - Т. 1. - С. 211-212.
Плешкова Мария Витальевна
Лямин Андрей Владимирович
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, maria@cde.ifmo.ru
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, 1yamin@cde.ifmo.ru
УДК 004.942
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЕГЭ В КОМПЬЮТЕРНОЙ ФОРМЕ
А.А. Скшидлевский, А.В. Лямин
Статья посвящена вопросам проектирования и развертывания больших программно-аппаратных комплексов, выбору оптимального варианта конфигурации аппаратной базы. Разработанная методика и алгоритмы позволяют определить ряд характеристик аппаратной части комплекса для проведения ЕГЭ в компьютерной форме, основываясь на заданном количестве пользователей в системе. Ключевые слова: имитационное моделирование, методика, алгоритмы, программно-аппаратные комплексы.
Введение
Выбор оборудования и аппаратных мощностей для развертывания больших распределенных программных комплексов, таких как система для проведения ЕГЭ в компьютерной форме, всегда очень сложен [1]. Сложность заключается в оценке нагрузки на оборудование при использовании системы большим количеством пользователей. Единственным способом выяснить, сколько пользователей выдержит та или иная конфигурация, являются испытания на реальном серверном оборудовании, а это уже предполагает наличие оборудования, т. е. его приобретение. Какое оборудование необходимо приобрести - в данном случае определя-
