Универсальная объектно-реляционная база данных информационных систем сопровождения учебной деятельности Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Микляев И.А.

ИСМАРТ (Севмашвтуз), филиал САФУ в г.Северодвинске, кандидат физико-математических наук,

доцент, [email protected]

УНИВЕРСАЛЬНАЯ ОБЪЕКТНО-РЕЛЯЦИОННАЯ БАЗА ДАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ СОПРОВОЖДЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

Объектно-реляционная база данных, гибкость, универсальность, изменчивость предметной области, развитие речи, дошкольное образование.

АННОТАЦИЯ

Приведены материалы, касающиеся информационных систем, основанных на объектном и объектно-реляционном подходе, и примеры использования универсальной объектно-реляционной базы данных в изменяемой предметной области на традиционной реляционной платформе. Информационная структура максимально приближена к реальным условиям окружающего мира. Актуальность столь гибкого подхода в информационных системах дошкольного образования обусловлена отсутствием единых шаблонов к описанию детей, как например, в среднем образовании. При этом при проведении образовательной деятельности там необходимо учитывать все возможные особенности ребёнка и его окружения.

Развитие человека состоит, в первую очередь, в полноценном получения и понимании информации из окружающей среды.

Общение между двумя субъектами состоит из следующих стадий рис.1: воспроизведение информации первым субъектом; передача в разделяющей среде; восприятие вторым субъектом; обработка информации вторым субъектом; воспроизведение информации вторым субъектом; передача в разделяющей среде; восприятие первым субъектом; обработка информации первым субъектом; Далее процесс зацикливается. 1.Воспроизведение информации 3 .Восприятие информации 7.Восприятие информации

..Передача информации

#

6.Передач а информации

4.Обработка информации 5.Воспроизведение информации Рис.1. Передача и принятие информации между субъектами

8.Обработка информации

Нужно отметить, что на каждой стадии информация обязательно искажается.

Как видно первостепенную роль имеет воспроизведение информации.

Речь является одним из способов передачи информации, особенно при её усложнении, что обязательно сопутствует в развитии человека.

Поэтому важным этапом в развитие ребенка является предупреждение, выявление и устранение нарушений речи.

В норме, к 5 годам у ребенка должно сформироваться правильное произношение звуков. Но к этому моменту 50% детей все еще имеют проблемы в произношение, а 15-20% идут с этими проблемами в школу [1].

Занятия со специалистом по развитию речи должны быть индивидуальны. Логопед должен учитывать то, как ребенок воспринимает и обрабатывает информацию, следовательно, должен учитывать его характеристики. Так же, следует обращать внимание на состояние здоровья ребенка, его способности, возрастную категорию и другие параметры.

Параллельно специалисту должны быть задействованы воспитатели и родителей с предоставлением необходимой информации для каждого из них персонально.

Таким образом, такого рода задачи требуют создания соответствующего информационного пространства — синергетического. Описываемые базами данных (БД) предметные области и бизнес-процессы, как и все живые системы, обладают свойствами жизнестойкости, функциональности и адаптивности. Их информационное поле многомерно, многогранно и постоянно изменяется. Объекты, составляющие предметную область, могут обладать собственными характеристиками или же синергетическими — возникающими после взаимодействия с другими объектами — реальными или абстрактными. Например, собственная характеристика человека — его рост, его вес — характеристика полученная при взаимодействии с реальным объектом — планетой Земля, его фамилия — характеристика полученная при взаимодействии с абстрактным объектом — паспортным столом.( Рис 2)

Информационный образ каждого объекта занесённого в базу должен быть синергетическим — отражающим зависимость значений характеристик объекта от среды взаимодействия. В самом деле, значение роста зависит от того в чём его измерять — метрах, футах, аршинах, значение веса меняется от расстояния до Земли, а фамилия от того в каких обстоятельствах пребывает человек. Чаще всего меняют фамилию при регистрации брака — "Петрова" после замужества становиться "Ивановой", а при пересечении границы России — "Ivanova".

В идеале модель информационного поля объекта должна предельно приближаться реальному его содержанию. Для адекватного описания предметной области необходимо провести всесторонний анализ информации. И при столкновении с синергетическими характеристиками, имеющими сразу несколько значений, возникают естественные сложности их отображения в классических базах данных.

Информационное пространство

Рис 2. Характеристики объекта Стандартный реляционный подход к организации данных делает ставку на максимально

эффективное манипулирование данными, для этого применяет дезинтеграцию данных до их полной однородности. А поскольку реальные бизнес-среды практически никогда не обладают однородностью, это приводит к чрезмерному абстрагированию от предметной области [2], и разрастанию таблиц и количества связей в геометрической прогрессии [3].

Напротив, стандартный объектно-ориентированный подход к организации данных предполагает каждый объект реального мира описывать индивидуально, всей совокупностью его параметров, что является более естественным для сложных систем. Безусловно, это позволяет адекватно отобразить структуру и состав предметной области, многообразие синергитических характеристик и облегчает проектирование, однако чрезвычайно затрудняет навигацию по данным [2].

Организовать объектно-ориентированный подход в условиях реляционной базы данных можно с помощью выявления фрагментов баз данных, содержащих объекты с варьируемым числом параметров и вынесения самих объектов и параметров-атрибутов в отдельные справочники, что сделает информационную систему более функционально и устойчивой к изменениями бизнес-среды. Отношение объект — параметр объекта позволяет корректировать список параметров даже на поздних стадиях проектирования.

Объект Параметры_объекта

Рис. 3 Отношение объект — параметр объекта

Такие фрагменты можно выделить во многих задачах. Например, при разработке информационной системы учета лекарственного обеспечения пациентов с хроническими заболеваниями в [4], каждое заболевание характеризуется обширным перечнем параметров. Некоторые параметры уникальны и характерны только для одного заболевания, другие присущи нескольким заболеваниям. И у конкретного пациента эти параметры — симптомы могут присутствовать, отсутствовать и быть выражены в различных степенях. Аналогичная ситуация возникает и при проектировании информационной системы учета компьютерной техники, так как компьютеры могут быть представлены как объекты с иерархической структурой, имеющие различное количество комплектующих. А так же в риэлторских системах и системах учета наследственных дел, в системах расчета заработной платы [4].

При разработке информационной системы сопровождения основной деятельности логопеда в дошкольном учреждении первая проблема состоит в отсутствии подробной передаваемой актуальной информации о динамике ребенка. Отсутствуют системы планирования и сопровождения деятельности специалистов по воспитанию звуковой культуры речи и дифференциации детей с учетом их индивидуальных особенностей. Недостаточно материально-технических средств и условий использования информационно-коммуникационные технологий. Еще одной проблемой является ограниченность возможностей общения специалистов с родителями [1].

Традиционные модели баз данных подразумевают минимизацию изменений структуры базы данных и программного обеспечения за счет выполнения тщательного предварительного обследования. Однако по завершению этой работы стоимость модификаций резко возрастает. Как следствие, значительные трудности появляются при последующем изменении требований, а текучесть требований создает почти неразрешимые проблемы.

Решение задачи при типовом подходе [4] состоит в выявлении фрагментов баз данных, содержащих объекты с варьируемым числом параметров и вынесение этих объектов и параметров в отдельные справочники, что позволяет управлять изменениями, допуская их даже на поздних стадиях проектирования. Это частично является ответом на принципиальную нестабильность требований во многих проектах, а также обеспечивает лучшую поддержку динамично изменяющейся бизнес — среды[3].

Основными функциями специалиста по воспитанию звуковой культуры речи являются: занесение личных данных ребенка, определение и занесение данных о нарушениях речи, определение и занесение данных о программе коррекции нарушений, формирование плана

работы и отчетов.

Каждый ребенок обладает определенным индивидуальным списком параметров. На основе предметной области была спроектирована логическая модель базы данных. Реализация типового подхода представлена на рис. 4.

Индивид

Фамилия Имя

Отчество Дата рождения Пароль

Электронный адрес Телефон

Возможные значения параметров

Сокращение ^Э^

Рис. 4. Фрагмент логической модели базы данных с типовым подходом

В ШЕВ-приложении при авторизации определяется тип посетителя: специалист, воспитатель или ребенок. В зависимости от типа посетителя меняется страница личного кабинета.

В личном кабинете специалиста имеется список своих воспитанников, а так же тех, кто подал заявку, но не определён к специалисту.

Типовой подход позволяет специалисту использовать любое количество параметров при описании ребёнка, с возможностью дублирования и добавления новых

На рис.5 приводится пример добавления нового параметра, на рис.6 — пополняется справочник возможных значений параметра.

Параметр:

Особенности

Сокращение:

Особ.

Создать

Рис. 5. Фрагмент формы для создания новых значений параметров Параметры: ФУ"™

Возможные значений:

Выберите возможное значение

Выберите возможное значение нарушение речи

Рис. 6. Фрагмент формы для добавления параметров ребенка и их возможных значений

В личной карточке ребенка хранятся данные о параметрах ребенка, пройденных занятиях, результатов и примечаний по ним. Имеется список планируемых занятий и доступ к материалам по ним.

Информационная структура карточки ребенка представлена на рис. 7.

Карточка Изменить данные

Гурьева София Сергеевна

Без фильтра »|| ывести

группа

возрастная атегсрия Характеристики

занятие методика Значение

группа лесопункт

возрастная категория младшая группа

группа нарушение речи

Оценка способности восприятия

занятие результат занятия Проведено

| примечание не требуется повторения

Произношение шипящих

занятие [результат занятия [Проведено

[примечание ЦТребуется повторное проведение

Дыхательная гимнастика

занятие [результат занятия Проведено

примечание Невнимателен к процессу

Рис. 7. Типовой подход описания ребенка

Полная унификация информационной структуры достигнута в матричной универсальной объектно-реляционной базе данных.

В основе матричной универсальной объектно-реляционной базы данных (МУОРБД) заложена структура пятимерного массива. Логическая модель реализации на реляционной основе состоит из ядра — одной таблицы и таблиц словаря данных тяжёлой информации. Диапазон связей между информационными элементами базы данных расширен до четырёх видов: включающий ссылку на сущность в целом, на отдельный её экземпляр, на единицу информации, на отдельный элемент единицы информации [5]. Логическая модель МУОРБД на реляционной платформе представлена на Рис.8.

Характеристика экземпляра сущности

1

N

тт

Г

Словарь данных код

1 1=!ТаЫ

значение

Р1ТаЬ2

значение

Р!ТаЬ.

значение

1

Таблица справочников

---О

название справочника

Рис. 8. Логическая модель реализации МУОРБД на реляционной платформе

Кортеж в МУОРБД значительно расширен по сравнению с кортежем из реляционной и с кортежем из объектно-ориентированной системы представления данных. Появилась возможность хранить информацию не в одной паре атрибут-значение, а в неограниченном множестве связанных между собой пар без создания дополнительных сущностей, не имеющих реального самостоятельного смысла.

Каждая простейшая единица информации описывается по необходимости временными границами действия, что очень актуально. Например, очень актуальный вопрос в любой информационной системе, работающей с кадрами, — смена фамилии индивида. Необходимо хранить и новую фамилию, и старую, причём при переходе во временной срез, где действовала старая фамилия, должна отображаться она в соответствии с выпущенной документацией, в новое

же время действует новая фамилия. В реляционных базах данных требуется создать дополнительную малоиспользуемую сущность со старыми фамилиями и значительный программный комплекс в приложениях для их учёта, здесь же СУБД сама предоставляет информацию в соответствии с временным срезом, в котором работает приложение.

В концепции структуры кортежа МУОРБД реализованы две операции над множествами суммы (союз «или») и умножение (союз «и»).

Сумма элементов, как уже говорилось, достигается вводом пятого измерения.

Умножение возложено на пятую составляющая элемента кортежа МУОРБД отвечающая за номер родительского элемента. Она позволяет реализовать последовательную связь элементов.

Пример реализации объединения и из проекта информационной системы формирования основного учебного процесса ВУЗа при описании дисциплины учебного плана представлен на рис. 9. В правой таблице представлен полный кортеж для дисциплины учебного плана «Иностранный язык». В шестом и седьмом элементах кортежа объединены пары атрибутов и их значения «Семестр», «Вид занятия», «Количество часов» и «Вид контроля», причём атрибут «Количество часов» установлено в последовательность атрибуту «Вид занятия».

^ МУЬД; дисциплин* гП 080

1 Аей/м Ста иктуса Серы* ЯЬКОД

ТйЯпмш :1|ШИ!ШШ*!||

и-;,,™.;

' Фильтр Учебний ппдн

-1 ' ■ -ч

и^анаи^Кнц »пГд

■ПГкц*

Общн^Г^-ым Ф^ДОАЛмФм^йьРДО 403

0&ЦН+ ГркДИ ФВДЦШ*^ ОнТОТ-ТППМЙ 135

□ (¡шпАГу-т ФнЛ«йф«а

□ ГЬцн* ( Фдар&Ьы П|:,И1»пДгмг*1 37

□ ФвдфДвыЗийм&мЛ 130

□ бшнй Г ртйм ШцнЭнДЪ 1ЦА.Т ДОЛОГнй 170

□ йщ^Г^йпШцнЭнмСбчнаШГнЯ 100

□ бщнй ГрчЬч Дн^ин^Ь» Р^йт») 9Ш н г.рЫДО рСчч. 3*рн? 92

Обшнй ГугчЬ« Дисим^Ь* ПенпЭЛйГнЯ н Улрда.нт* Б2

Ойш.нй Г'Л-Ч1»* ДнгимЧЬ» ПйМйШГнй МЦКЭ-ОЙ Пр4№ 62

0 йивдмфесе Шциает** .ЧйАучвстъ гвдвддал ¡им * в!

0 йшн« шпм -ф цэдшы М втампъм ¡*00

0 Новая

II

г I

хартасмлш попадй |

Таб.форма Параметры

Общие гуманитарные и сщ^ьно-жономтес^ие/Феяеральн!:

Семесгр|1|'|,1"."1огр1иии"1|1 Вид шиктм.ч

Калнчрстпп члссн и н?дрл]о|4| Ннпи кшршРлч^т]

7

С*МЙ (■е|||2|!1|17!,|ь?€ |.чш1ш1

Вид |;|1шт1ш|П|>;1Ктлчгск11с тчпл пы|

Калит гс тип 'щсов б нгдгл]о[4) ¡Ниди уонтраля |Чдги>т]

я

Сбывлрр^ <■ МЖ1ЖЙ]

X Удалите

■■<м»0Т,]ГЛ[НЛЯч|и«и..с™, - ® ИЗМЕНИТЬ Х/ДДЛНТЬ

' п|>>. 1 3 ш 1 ■

1\. Выхоп

Рис. 9 Список дисциплин учебных планов в универсальном приложении МУОРБД

Организация связей между отдельными структурными элементами МУОРБД возложены на различные модификации циклической связи сущности «Характеристика экземпляра сущности».

На текущий момент используются четыре вида связей между информационными элементами внутри МУОРБД [5]:

• ссылка на сущность в целом, используется при установлении атрибута, имеющего значения в указанной сущности. Например, для атрибутов «Автор», «Разработал», «Утвердил», «Виза» сущности «Документ» устанавливается ссылка на сущность «Индивид»;

• ссылка на отдельный экземпляр сущности является традиционной связью для реляционных баз данных, где по внешнему ключу в поле строки одной таблицы делается ссылка на соответствующую строку в другой таблицы;

• ссылка на многострочную единицу информации. Например, лицевой счёт по заработной плате формируется на отдельную должность занимаемую человеком в определённой организации, к которой приписана ставка, оклад (разряд), доплаты за вредность и т.п.;

• ссылка на отдельный элемент единицы информации. Например, конкретная выплата определяется отдельным элементом лицевого счёта, и имеет атомарный неделимый вид, что и должно определяться основополагающей информацией.

В МУОРБД словарь БД хранится в одной структуре и представляет собой такие же данные пользователя, как и основная информация его БД. Таким образом, появляется возможность

использовать сущности, их экземпляры. единицы информации и элементы единиц информации пользователя для описания самого словаря БД.

Одним из механизмов управления словарём БД на основе данных пользователя в МУОРБД, появившимся в результате синтеза словаря БД пользователя и данных, является механизм управления системой обработки и отображения информации экземпляров сущности [5].

В традиционных СУБД словарь БД и данные разделены. И словарь БД диктует правила ввода информации основного содержания, но не наоборот. В МУОРБД появилась такая возможность. Это стало актуальным при необходимости разграничения правил обработки и отображения различных экземпляров одной сущности, учитывая их природные особенности, выраженные в их информации.

Например, в системе документооборота [5] если необходимо для документов с характеристикой «Тип документа» — «Письмо» и «Чертёж» установить разные возможные характеристики, то у характеристики «Тип документа» устанавливаем параметр «Управление табличным отображением», а у варьируемых характеристик (например, «Отправитель» и «Получатель») устанавливаем дополнительное описание «Тип документа» — «Письмо». В этом случае при включенном фильтре с параметром «Тип документа» и значением «Письмо» характеристики «Отправитель» и «Получатель» будут видны и доступны, а при значении «Чертёж» — нет.

Для запуска механизма атрибуты управления системой обработки и отображения информации экземпляров сущности в кортеже (-ах) атрибута, которому (-ым) устанавливаются в подчинение остальные атрибуты, добавляется элемент с параметром «Управление табличным отображением».

После этого система управления МУОРБД позволяет устанавливать в кортежах остальных атрибутов ссылку на экземпляр сущности, к которой установлена связь через этот атрибут, если такая существует, либо на возможное значение атрибута, приписанное к соответствующему экземпляру сущности «Параметр пользователя».

Результат такой системы приведён на рис. 10 для сущности «Документ» из АИС документооборота, где исследовались возможности работы с разнородными документами в одной сущности. Основной объём экземпляров в сущности «Документ» были конструкторские документы: чертежи, спецификации, сборочные чертежи, альбомы чертежей. Помимо них там содержались и письма, и приказы, и разного типа инструкции и многое другое. Документы очень разнотипные и поэтому естественным является установить разные правила обработки и отображения информации для разных категорий документов. Управляющими стали большая совокупность атрибутов, здесь и «Категория», и «Наименование документа», и «Регистрационный номер», и «Параметр чертежа» и многие другие.

I *Г Параметры документов !№

Г Полное подтверждение fflj

Йерарния гмршпроа

- Категорий

[Конструкторский лакун пш ]-> а Рег.нонэр

a D"

Параметр чиргижа a q->

Значение - Hilhhuhulhihmi! а БД Ннриннi

в П->

Кол ТМЦ в ВО Вариант

- Наин.дик.

- ЦЧпртвж]->

Группа Ш Документ Ралрлйатап Применение Изображение • [CHiof]i:>4iiuw чсри:ж]-> 9 |Спвцнфикачня]-> ш [Альваи чертежей ]■» (В [Пнсьни]-»

- [Должностная инструкцн?1->-

Документ

Аи юр (иен сигнем подпись] Утвердив

Дота ввода в действие + pi 1ри ложен ме1)->

Рис. 10 Иерархия атрибутов и их возможных значений сущности «Документ» Как видно из рис.10 для категории со значением «Конструкторский документ» определён

иозмоэ»«* значиия Хл(-ь> т#сч«;т»«н

Tp)f HH4 пскнй дп к цн пит

Конструкторский документ Технологический документ Экгплуптшдопнный докунпыг Переписки - Управленческие

Ори iinn:irnj.HriHMUtt

Кадри Договора Библиотеки Законы Стандарты

Ни г цплык-тупльнии i-uOcIи енмасть

возможный параметр «Регистрационный номер», которому в свою очередь подчинён атрибут «Параметр чертежа», а ему в свою очередь атрибут «Значение». Два последних атрибута предназначены для описания групповых чертежей, в которых несколько регистрационных номеров, каждый из которых характеризуется своими обособленными значениями некоторых параметров чертежа.

Атрибут «Наименование документа» подчинён параметру «Категория», а также является сам управляющим атрибутом. В левом древовидном представлении показано, что экземпляры сущности «Документ» с разными значениями атрибута «Наименование документа» имеют разный список доступных атрибутов для их описания. Так для чертежей кроме общих атрибутов, доступны атрибуты: «Группа», «Документ», «Разработал», «Применение» и «Изображение», а для должностных инструкций: «Документ», «Автор(основная подпись)», «Утвердил» и «Дата ввода в действие».

Заключение

Рассматриваемая методика оказалась эффективной, достаточно простой в реализации, не уступающей в обработке информации сложных объектов перед реляционными системами представления данных. Проблемы объектно-ориентированных баз данных были решены [6].

Информационные системы на основе типового подхода адаптируются к изменениям предметной области, без изменения структуры базы данных, обладают способностью всеохватности, при этом сохраняя индивидуальность экземпляров описанных объектов, что наиболее актуально для образовательных процессов с индивидуальным подходом к каждому ребёнку.

Реализация унифицированного подхода в информационной системе сопровождения деятельности по развитию речи ребёнка в дошкольных учреждениях ведётся в рамках международного научно-исследовательского проекта № 15-26-01005 «Структурно-содержательные и научно-методические основы использования информационных технологий в воспитании звуковой культуры речи у дошкольников», осуществляемого при поддержке Российского гуманитарного научного фонда (РГНФ) и Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (БРФФИ).

Литература

1. Гурьева С.С., Потапенко С.М. Разработка и создание информационной системы автоматизации планирования и сопровождения деятельности по воспитанию звуковой культуры речи у дошкольников / Информационные технологии в развитии региона: сборник материалов региональной научно-практической конференции / отв. ред. С. М. Потапенко; Сев. (Арктич.) федер. ун-т — Архангельск: САФУ 2015. — 211 с.

2. Конноли Т., Бегг К. Базы данных. Проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика. 3-е издание.:Пер. с англ. / Т. Конноли, К. Бегг. М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. С.1440

3. Микляев И.А., Черткова О.В. Синергетическое информационное пространство МУОРБД // Материалы V Международной научно-практической конференции "ОБЪЕКТНЫЕ СИСТЕМЫ — 2011" (Зимняя сессия) с. 67-72

4. Микляев И.А., Ундозерова А.Н., Кудаева М.В. Типовые решения проектирования объектов баз данных с варьируемым числом параметров/ Вестник Северного (Арктического) Федерального Университета. Серия: Естественные науки/ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова»/ 113-118с.

5. Микляев И.А. Универсальные объектно-ориентированные базы данных на реляционной платформе: монография / Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова. —Архангельск: ИД САФУ 2014. -226 с.

6. Микляев И.А., Черткова О.В. Инструментарий оптимизации работы системы управления объектно-реляционной базы данных// Объектные системы: материалы: Междунар. науч.-практ. конф, Ростов на/Д, 2012.С. 45-50.