CC BY
34
Klescheva Nelly Alexandrovna, Shilova Ekaterina Sergeevna DEVELOPMENT OF MEANS OF MONITORING ...
pedagogical sciences
УДК 378.531.2
РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ МОНИТОРИНГА УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА ПО ФИЗИКЕ В КОНТЕКСТЕ ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПОДХОДА
© 2018
Клещева Нелли Александровна, доктор педагогических наук, профессор кафедры общей и экспериментальной физики Шилова Екатерина Сергеевна, старший преподаватель кафедры общей и экспериментальной физики Дальневосточный федеральный университет (690950, Россия, Владивосток, улица Суханова, 8, e-mail:november1307@mail.ru)
Аннотация. Значимость курса физики для подготовки высококвалифицированных инженеров не вызывает никаких сомнений. В тоже время в системе технического бакалавриата наблюдается неуклонная тенденция к снижению общей трудоемкости дисциплины «Физика» в структуре профессиональной подготовки. В комплекс педагогических инноваций, направленных на «смягчение» негативных проявлений этой тенденции следует включать разработку эффективных средств контроля знаний студентов, поддерживаемых современными информационными технологиями. В статье представлен опыт разработки автоматизированной системы тестирования (АСТ), представляющей собой систему комплексного мониторинга учебного процесса в структуре предметной подготовки по физике. Принципиальной особенностью предлагаемой системы, отличающей ее от имеющихся аналогов, выступает методология ее проектирования, основанная на идеях объектно-ориентированного подхода. Инструментальными средствами проектирования были выбраны CASE-технологии и используемый в них унифицированный язык моделирования (UML). В нотации данного языка общее представление о проектируемой информационной системе строится на основании комплекса разрабатываемых диаграмм, визуально понятных всей команде разработчиков независимо от их профессиональной принадлежности. В статье представлены основные понятия объектно-ориентированного подхода, основные виды UML-диаграмм, позволяющие визуализировать все этапы проектирования АСТ. Проведен анализ деловой сферы проектируемой системы, разработаны UML-диаграммы, описывающие основные функциональные сервисы разрабатываемой системы, обсуждается программное и техническое обеспечение, поддерживающее этап физической реализации системы.
Ключевые слова: образование, курс физики, система контроля знаний, информационные технологии, автоматизированная система тестирования, методология проектирования, объектно-ориентированный подход, CASE-технологии, UML-диаграммы.
DEVELOPMENT OF MEANS OF MONITORING OF THE TRAINING PROCESS ON PHYSICS AT THE CONTEXT OF OBJECT-ORIENTED APPROACH
© 2018
Klescheva Nelly Alexandrovna, doctor of pedagogical sciences, professor of the department «General & experimental physics» Shilova Ekaterina Sergeevna, assistant professor of the department «General & experimental physics» Far Eastern Federal University (690950, Russia, Vladivostok, street Sukhanova 8, e-mail:november1307@mail.ru)
Abstract. The importance of the course of physics for the training of highly qualified engineers is beyond doubt. At the same time, there is a steady tendency to reduce the overall complexity of the discipline "Physics" in the structure of vocational training in the system of technical baccalaureate. In the complex of pedagogical innovations aimed at "softening" the negative manifestations of this trend, the need to develop effective means of monitoring students' knowledge for the constant correction of the educational process. Modern information technologies make it possible to solve this problem in conditions of a shortage of study time devoted to the study of discipline. The article presents the experience of developing an automated testing system (ATS), as a system of integrated monitoring of the educational process in the structure of the subject training in physics. The principal feature of the proposed system, which distinguishes it from existing analogues, is the methodology of its design, based on the ideas of the object-oriented approach. CASE-technologies, using the unified language of object-oriented modeling (UML), were chosen as the design tools. At the notation of this language a general idea of projected system based on the construction of the complex diagrams, which are visually understandable to the entire development team, regardless of their professional affiliation. The article presents the basic concepts of the object-oriented approach, the main types of UML diagrams that allow visualizing all the stages of designing the ATS. The analysis of the business sphere of the projected system is carried out, UML-diagrams describing the main functional services of the system being developed are discussed, software and technical support the stage of the physical implementation of the system is discussed.
Keywords: education, physics course, knowledge control system, information technologies, automated testing system, is the methodology of design, object-oriented approach, CASE-technologies, UML-diagrams.
Онтологические и гносеологические основания физической науки определяют значимость курса физики в процессе подготовки специалистов инженерных и естественнонаучных специальностей. В то же время, современные образовательные программы системы бакалавриата строятся таким образом, что временная (и, как следствие, содержательная) компоненты дисциплины в общей структуре профессиональной подготовки не отражают ее значимость, как фундаментального ядра, необходимого для дальнейшего успешного обучения. Достаточно, например, отметить, что в Дальневосточном Федеральном университете на некоторых инженерных специальностях общая трудоемкость дисциплины «Физика» такая же, как у дисциплины «История стран АТР» и составляет четыре зачетных единицы. Ни в коей
мере не умаляя образовательную ценность последней дисциплины, все же отметим, что речь идет о подготовке кадров в области приоритетных направлений развития техники и технологий.
Подобные проблемные вопросы современного состояния системы физического образования являются предметом постоянного обсуждения в научно-педагогической среде [1, 2, 3]. Острый дефицит учебного времени, отводимого на изучение дисциплины, порождает комплекс проблем как содержательного, так и методического характера, негативно влияющих на качество образовательного процесса. Так, из учебных планов практически исчезли такие традиционные и принципиально важные для изучения физики формы контроля знаний по дисциплине, как коллоквиумы и контрольные рабо-
педагогические науки
Клещева Нелли Александровна, Шилова Екатерина Сергеевна РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ МОНИТОРИНГА УЧЕБНОГО ...
ты, традиционная форма рубежного контроля - экзамен - все чаще заменяется зачетом.
В сложившихся условиях поиск эффективных, а самое главное, оперативных средств контроля знаний студентов, которые могут быть реализованы как в системе аудиторной, так и самостоятельной работы студентов, представляется важной составляющей общей задачи повышения качества образовательного процесса по дисциплине. В статье представлено одно из возможных направлений решения этой многоаспектной задачи - опыт разработки и внедрения в образовательный процесс комплексной системы мониторинга и контроля знаний студентов средствами тестовых технологий. Не вступая в полемику относительно педагогической целесообразности тотального применения данных технологий, тем не менее, отметим потенциально широкий спектр дидактического назначения компьютерных тестовых систем. В образовательной среде такой структурно и программно насыщенной дисциплины как физика, по-нашему мнению, представляется актуальной разработка и внедрение в учебный процесс комплексной «дисциплинарной» системы тестирования, объединенной единой методологией использования тестовых технологий на всех структурных элементах предметной подготовки по дисциплине.
Опыт разработок автоматизированных систем тестирования (АСТ) достаточно широко представлен в педагогической и технической литературе [4, 5, 6, 7, 8]. Кратко остановимся на причинах, побудивших приступить к разработке собственной системы тестирования.
Функционирование любой автоматизированной системы тестирования предполагает разработку двух подсистем - методической и программно-технической. Требования к методической подсистеме, формулируемые преподавателями-предметниками, определяют необходимость выполнения большого спектра действий педагогического проектирования: определение задач и целей тестирования, структурирование учебного материала, подлежащего тестированию, разработка разноуровневых схем тестирования и оценочных систем. При решении этих задач необходимо учитывать структуру предметной подготовки по дисциплине, сложность программного материала, доступность его для тестирования, и еще большой спектр методических требований. Универсальные системы тестирования, предлагаемые для использования в широкой номенклатуре учебных дисциплин, как правило, не учитывают специфические особенности функционирования конкретной дисциплины в образовательной практике. Разработка программно-технической подсистемы АСТ включает в себя общую разработку архитектуры АСТ: разработку интерфейсов всех пользователей и баз данных, выбор программно-технического сопровождения, поддерживающего требуемые сервисы системы. Характер разработок данной подсистемы определяется квалификацией команды программистов, а также наличием и конфигурацией программно-аппаратных средств, которыми обеспечена данная организация. Как показывает многолетний опыт использования различных средств компьютеризации учебного процесса по физике сторонние программные продукты очень часто «конфликтуют» с существующим техническим обеспечением и возникают определенные трудности, связанные с их настройкой и отладкой. Кроме того, разработчики обеих подсистем, как правило, не коррелируют свои действия, являясь представителями различных предметных областей и разных структурных подразделений.
Высказанные соображения обусловили целесообразность проектирования собственной дисциплинарной автоматизированной системы тестирования по физике. Методологическую основу проектирования составили идеи объектно-ориентированного подхода и используемые в них инструментальные средства - CASE-технологии [9,10], обеспечивающие корпоративный
подход в процессе проектирования сложных информационных систем (ИС) различной объектной принадлежности. Развитие данных технологий было поддержано разработкой унифицированного языка объектно-ориентированного моделирования Unified Modeling Language (UML). Основные этапы проектирования ИС - анализ деловой сферы, построение модели системы, создание системы и ее физическая реализация, выполняемые на практике разработчиками разных профессиональных команд, в нотации языка UML реализуются через взаимосвязанный комплекс графических средств - диаграмм. Основные понятия и определения объектно-ориентированного подхода, виды UML-диаграмм, их назначение на различных этапах проектирования системы, а также графические средства их отображения достаточно подробно представлены в технической литературе[11, 12, 13]. Визуализация процесса проектирования информационной системы средствами UML-диаграмм, «однозначно читаемых» всей командой разработчиков, позволяет концептуально соединить требования заказчиков и потенциальных пользователей системы с возможностями ее программно-технической реализации.
Таким образом, при проектировании автоматизированной системы тестирования было решено не «разносить» разработку ее методической и программно-технической компонент, а представить автоматизированную систему тестирования, как сложную динамическую информационную систему, используя для ее проектирования инструментальные средства, применяемые в объектно-ориентированном подходе. Следует отметить, что в педагогических исследованиях к настоящему времени CASE-технологии не нашли должного применения при разработке различного уровня автоматизированных обучающих систем. В то же время, учитывая потенциально широкий спектр функций, которыми они должны обладать, значительные потоки информации, циркулирующие в таких системах, «предметно-разнесенные» команды разработчиков, представляется целесообразным использовать основные идеи объектно-ориентированного подхода для решения образовательных задач.
Первый этап проектирования АСТ - анализ ее деловой сферы - позволил разработать общую идеологию тестирования, которая строилась на следующих соображениях. Возможность участия в процессе тестирования должна быть обеспечена для всех преподавателей и студентов, взаимодействующих в системе предметной по физике. Для унификации данной процедуры на кафедре физики была организована единая команда разработчиков общей идеологии использования тестовых технологий, состоящая из опытных преподавателей и методистов, ведущих занятия на разных специальностях и не имеющих принципиально негативного отношения к такой форме контроля знаний, как тестовые технологии.
Автоматизированная система тестирования должна стать центральным звеном мониторинга знаний студентов и обеспечивать проведение различных форм текущего и рубежного контроля для всех, предусмотренных учебным планом, структурных элементов предметной подготовки по дисциплине. В связи с этим должны быть предусмотрены различные виды тестирования, как в системе аудиторных занятий, так и в системе самостоятельной работы - всего было выделено восемь форм тестирования.
В соответствии с выделенными формами тестирования необходимо предусмотреть разработку восьми видов шаблонов (наборов условий, по которым из банков отбираются конкретные тестовые задания), различающихся по своим параметрам. Так, например, шаблон 3 - «Тестовое задание к практическим занятиям» в системе аудиторной работы студентов содержит следующие позиции: название темы практического занятия; число дидактических единиц в теме (число подтем); время тестирования; число вопросов; «стоимость» вопросов; схему выставления оценки. Шаблон 4 - «Тестовое зада-
Klescheva Nelly Alexandrovna, Shilova Ekaterina Sergeevna DEVELOPMENT OF MEANS OF MONITORING ...
pedagogical sciences
ние к практическим занятиям в системе самостоятельной работы («пересдача темы») реализуется по тем же параметрам, но с другими критериями: число вопросов превышает соответствующий показатель предыдущего шаблона, схема выставления оценки «более жесткая».
Для обеспечения валидности общего банка тестовых заданий, которые будут циркулировать в автоматизированной системе тестирования, в качестве основного средства оценки теста было решено использовать статистический и семантический подходы [14, 15, 16].
Таким образом, анализ деловой сферы показал, что разрабатываемая система должна выполнять функции, как стандартные для подобных систем (тестирование, оценка результатов, ведение статистики) так и индивидуальные функции, отличающие ее от других аналогов (создание различных видов тестовых заданий и тестовых шаблонов, создание разноуровневых сеансов тестирования и многомерных оценочных шкал).
На этапе моделирования были сформулированы основные требования к функциональным характеристикам автоматизированной системы тестирования:
- должна быть реализована возможность текущего и итогового контроля знаний на всех структурных элементах системы предметной подготовки по физике;
- должна обеспечиваться возможность проведения анализа (статистического и семантического) тестовых заданий на соответствие требованиям, предъявляемым к данной форме проверки знаний студентов;
- должно быть реализовано ведение текущей и пролонгированной статистики для каждого тестируемого студента.
Модель системы была построена в виде контекстной диаграммы, описывающей ее взаимодействие со структурой предметной подготовки по физике. В качестве исходной информации для проектирования автоматизированной системы тестирования должны быть рассмотрены педагогические сценарии тестирования, семантические и статистические подходы к определению качества тестовых заданий. В качестве выходной информации - банки тестовых заданий, шаблоны тестов, статистические данные об уровне знаний студентов, полученные на основе проведенных тестирований студентов.
На основе анализа требований к основным функциональным сервисам разрабатываемой системы на начальном этапе проектирования определялись исполнители и основные прецеденты (последовательность действий системы, определяемая исполнителем). Роли исполнителей были регламентированы следующим образом:
- координатор - формирует команду разработчиков, имеет права доступа и редактирования во всей системе. Координатор разделяет пользователей на составителей тестов; составителей шаблонов; преподавателей и студентов, назначает им пароли и права, удаляет (добавляет) пользователей в системе. Кроме этого, данный исполнитель может быть составителем тестов и шаблонов, может активизировать сеанс тестирования, ранее сформированный преподавателем;
- составитель тестовых шаблонов - назначает правила проведения тестового опроса в соответствии с видом шаблона, определяет название и параметры шаблона. Данный исполнитель имеет доступ к составлению шаблонов и редактированию лично составленных шаблонов, имеет права преподавателя;
- составитель тестов - составляет тестовые задания, имеет право лично ввести тесты в систему и редактировать их. Данный исполнитель имеет права преподавателя;
- преподаватель - формирует сеанс тестирования: выбирает шаблон, дату и время проведения тестирования, авторизирует группу студентов, т. е. разрешает доступ студентов к данному сеансу тестирования. Проводит сеанс тестирования, имеет доступ к статистике;
- студент - авторизируется в системе, выбирает раз-
решенный ему сеанс тестирования, тестируется. Данный исполнитель не имеет доступа к статистике.
Основными прецедентами автоматизированной системы тестирования должны выступать следующие ее действия: создание нового пользователя; создание шаблона тестирования; создание тестового задания; создание сеанса тестирования; проведение тестирования; проведение статистического анализа тестовых заданий; ведение статистики. После построения диаграммы прецедентов необходимо было осуществить их детальные описания в соответствии с общим шаблоном описания прецедентов, предусмотренным в нотации объектно-ориентированного подхода. Результаты данной процедуры были оформлены в виде таблиц, содержащих следующие строки: название прецедента, его краткое описание, субъекты прецедента, предусловия (предпосылки создания прецедента), основной поток (основная последовательность действий); альтернативный поток постусловия (состояние системы после выполнения прецедента). Описания прецедентов позволили построить для них диаграммы видов деятельности. Все диаграммы строились совместно разработчиками и методической, и программно-технической подсистем для принятия однозначных решений о возможности реализации требуемых функциональных характеристик системы.
На этапе физической реализации системы разрабатывались интерфейсы всех исполнителей и базы данных (БД) исполнителей и прецедентов. Анализ деятельности всех потенциальных пользователей разрабатываемой АСТ позволил принять решение, что для работы с данным программным продуктом наиболее удобным будет оконный интерфейс, и интерфейсы всех пользователей АСТ были разработаны в одной технологической схеме. Программная реализация требуемых функций системы поддерживалась средой объектно-ориентированного программирования Borland Developer Studio (BDS) 2016, объединяющей большое количество программных продуктов, созданных ранее [17]. Для прецедентов «создание нового пользователя», «создание шаблона» и «создание тестового задания» были созданы собственные базы данных. Для прецедентов «проведение тестирования», «проведение статистического анализа тестовых заданий», «ведение статистики» была создана интегрированная БД результатов. Для работы с базами данных использовалась СУБД InterBase. Простота в установке, легкость в администрировании, большой программный инструментарий, высокая скорость обработки данных и большая надежность хранения информации обусловили выбор данного программного продукта. Программное обеспечение разрабатывалось программистами кафедры, знающими содержание предметной области и четко представляющими технические возможности имеющихся программно-аппаратных средств. Таким образом, использование CASE-технологий позволило разработать детальный план функционирования автоматизированной системы тестирования и «соединить» педагогические требования к процессу тестирования в системе предметной подготовки по физике с возможностью технологического решения этих требований.
Безусловно, следует отметить, что тестовые технологии, даже поддерживаемые современными инструментальными средствами, в полной мере не решают проблему полноценного контроля уровня усвоения такой семантически насыщенной и структурно разветвленной дисциплины как физика. Однако, как показали результаты педагогического эксперимента, в существующих временных рамках образовательной практики, данная система решает ряд важных функций дидактического назначения. Многообразие шаблонов тестирования, реализуемых разработанной системой, позволяет повысить индекс успешности учебной деятельности за счет решения заданий разного уровня сложности по всем темам программного материала. Возможность реализации многомерной текущей и пролонгированной стати-
педагогические науки
стики по каждому студенту позволяет организовывать рейтинговые стратегии семестровых циклов обучения. Кроме этого, реализованная в системе процедура организации сеансов «самотестирования», с одной стороны, обеспечивает возможность самостоятельной подготовки к контрольным мероприятиям в семестре и к экзамену для каждого студента в удобном для себя темпе и режиме, а с другой - латентно решило задачу методического обеспечения самостоятельной работы студентов. Возможность реализации в системе тестового шаблона «Итоговый контроль» позволило организовать практически «бесконфликтную» образовательную среду при работе предметной комиссии по ликвидации академических задолженностей по итогам сессий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Кожевников Н.М. Кризисные явления в преподавании физики // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование, 2012. T. 1(142). С. 277282.
2. Физика в системе современного образования (ФССО-15): материалы XIII Международной конференции. Санкт-Петербург, 1 - 4 июня 2015 г. СПб.: Изд-во ООО «Фора-принт», 2015. 514 с.
3. Физика в системе современного образования (ФССО-2017): материалы XIV Международной научной конф. (с. Дивноморское, 17-22 сентября 2017 г.). Ростов-на-Дону : ДГТУ, 2017. 538 с.
4. Гершунский B.C. Компьютеризация в сфере образования: Проблемы и перспективы. М.: Педагогика, 1987. 263 с.
5. Григорьев С.Г., Гриншкун В.В. Информатизация образования. Фундаментальные основы. Томск: ТМЛ-Пресс, 2008. 286 с.
6. Методика и организация учебного процесса с использованием обучающих устройств. М.: Высш. школа, 2010. 104 с.
7. Токарева B.C. Учебный курс решения задач по физике для автоматизированной обучающей системы //Применение ЭВМ и технических средств обучения в учебном процессе: Межвуз. сб. научно-метод. статей. М.: МИФИ, 2013. C. 130-136.
8. Friedman M., Das J.P., 0'Connor N. (EDS) Intelligence and learning. New York: Plenum Press, 2008. 960 р.
9. .Грекул В.И., Коровкина Н.Л., Куприянов Ю.В. Проектирование информационных систем. Практикум. М.: Национальный открытый университет «ИНТУИТ», 2012. 186с.
10. Куликов Г.Г., Набатов А.Н., Речкалов А.В. Автоматизированное проектирование информационно-управляющих систем. Системное моделирование предметной области. Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет, 2008. 104 с.
11. Грэхем И. Объектно-ориентированные методы. Принципы и практика. 3-е изд. [пер. с англ.] М.: Вильямс, 2004. 880с.
12. Ларман К. Применение UML 2.0 и шаблонов проектирования 3-е изд: [пер. с англ.] М.: Вильямс, 2006. 736 с.
13. Мацяшек Л. Анализ и проектирование информационных систем с помощью UML 2.0: [пер. с англ.] Вильямс 2008. 815с.
14. Аванесов В.С. Композиция тестовых заданий. Учебное пособие 3-е издание. М.: Центр тестирования, 2002. 240 с.
15. Красильникова В.А.Теория и технологии компьютерного обучения и тестирования. - Москва: Дом педагогики, ИПК ГОУ ОГУ, 2009. 339 с.
16. Нейман Ю.М., Хлебников В.А. Введение в теорию моделирования и параметризации педагогических тестов. М.: Прометей, 2003. 169 с.
17. Одинцов И. О. Профессиональное программирование. Системный подход. 2-е изд. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 624 с.
Клещева Нелли Александровна, Шилова Екатерина Сергеевна РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ МОНИТОРИНГА УЧЕБНОГО ...
Статья поступила в редакцию 06.01.2018 Статья принята к публикации 28.03.2018
