Проектирование электронных курсов в инструментальной среде SunRav BookEditor

С.Н. Медведева, доцент, кафедра Прикладной математики и информатики Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева, к.пед.н., ул.К.Маркса, 10,  г. Казань, 420111, +79196892837
pmisvet@yandex.ru

аннотация

Предлагаются подходы к решению проблем разработки дидактического проекта учебной дисциплины и его программной реализации в виде электронного курса в инструментальной среде SunRav BookEditor на примере дисциплины «Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы».

Suggests approaches to solving the problems of didactic project design and his program implementation of computer courses of academic discipline «Probability theory. mathematical statistics » in the development of computer courses in the SunRav BookEditor.

 

 

Ключевые слова

Проектирование и реализация электронного курса, автоматизированное решение практических задач,  инварианты компьютерной дидактики;

project design and program realization of computer courses, automated decision of practical tasks, invariants of computer didactics.

 

Введение

Концепцией модернизации российского образования на период до 2010 года поставлена задача модернизации системы образования, включающая задачу усовершенствования имеющихся компьютерных средств обучения на основе современных информационных технологий, которые в образовании играют все более существенное значение. Актуальность задачи усовершенствования средств обучения обусловлена с одной стороны, внедрением новых информационных технологий в образовательный процесс, а с другой стороны,  созданием в стране целостной национальной инновационной системы. Перед высшей школой в этих условиях стоит задача подготовки специалистов к профессиональной деятельности путем внедрения в образовательный процесс инновационных технологий с использованием информационных технологий.

Поэтому исследования в области разработки электронных курсов в виде электронных учебников (ЭУ) и компьютерных обучающих систем (КОС) продолжают носить актуальный характер, так как разрабатываемые ЭУ и КОС являются одной из основных составляющих частей современного учебно-методического обеспечения [2]. На кафедре Прикладной математики и информатики КГТУ им.А.Н.Туполева продолжаются исследования, (начатые в начале 90-х годов), по разработке электронных средств обучения математическим дисциплинам в различных инструментальных средах на основе разработанных методов компьютерной дидактики и программного проектирования [3]. Опыт разработки ЭУ и КОС с помощью различных языковых и инструментальных средств (MS C, Visual C++, Delphi 7.0, Lotus Learning Space 5.0., IBM Workplace Collaborative Learning), позволяет достаточно быстро создавать новые версии программного обеспечения для автоматизированного обучения учебным дисциплинам, содержащим сложные алгоритмические структуры. При этом, как правило, в новой разработке основа дидактического проекта учебной дисциплины остается без изменения, а структура и содержание учебного материала может варьироваться в зависимости от того, для какой специальности оно предназначено. В 2008 году начата разработка дистанционного курса по дисциплине «Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы» для направления подготовки 230100 –«Информатика и вычислительная техника» в среде IBM Workplace Collaborative Learning, предназначенной для разработки дистанционных курсов, а также была разработана версия электронного учебника в среде SunRav BookEditor. Кроме того, в среде SunRav BookEditor была разработана компьютерная обучающая система «Проверка статистических гипотез» с лабораторным комплексом из шести лабораторных работ. Описание основных этапов проектирования  дистанционного курса в среде IBM Workplace Collaborative Learning  представлено в [5]. В данной работе приводится описание процесса проектирования и реализации тематических компонент и программного обеспечения лабораторного комплекса ЭУ «Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы» и КОС «Проверка статистических гипотез» с использованием инструментальной среды разработки  SunRav BookEditor.

Инструментальные и языковые средства разработки электронных учебников

Инструментальные средства – программное и информационное обеспечение, используемое для представления учебных материалов в форме, требуемой для использования в КОС. Инструментальные средства можно разделить на две группы:

1) общедоступные средства, ориентированные на Web-технологии и не использующие дорогостоящих специальных средств;

2) инструментальные средства, специально ориентированные на разработку электронных учебников.

В первую группу входят сравнительно недорогие или свободно распространяемые программные продукты. К ним относятся, например, редакторы HTML текстов, графические редакторы, конверторы форматов данных, возможно также применение средств создания аудио- и видеофрагментов. В этой технологии удается минимизировать первоначальные финансовые затраты, квалифицированные пользователи могут модернизировать и адаптировать созданные электронные учебники. Однако создание электронных учебников характеризуется при этом повышенными затратами времени.

Более быстрое создание электронных учебников осуществляется с помощью интегрированных инструментальных сред, примерами которых могут служить Learning Space, IBM Workplace Collaborative Learning Authorizing Tool фирмы Lotus, ToolBookII компании Asymetrix, WebCT университета Британской Колумбии, AuthorWare компании Macromedia и др. Имеющиеся в инструментальной среде средства позволяют решать вопросы представления учебного материала с выбором типов шрифтов, палитры цветов, расположения и насыщенности графических фрагментов, анимации, звукового сопровождения и т.п. в соответствии с рекомендациями, обеспечивающими продуктивную работу пользователей. Ко второй группе относится интегрированная инструментальная среда SunRav BookEditor.

К современным обучающим системам относятся системы "TrainingWare", "eLearning Server 3000 v2.0", "eLearning Office 3000", "IBM Workplace Collaborative Learning"  и "HyperMethod 3.5" компании ГиперМетод, которая является крупнейшим российским разработчиком готовых решений и программного обеспечения в области мультимедиа, дистанционного обучения и электронной коммерции. Приведем краткое описание этих систем.

          1) TrainingWare предназначена для организации централизованной системы подготовки и контроля знаний персонала, автоматизации входного тестирования, быстрого ввода нового персонала, регулярных тренингов и аттестаций новым инструкциям и рекомендациям, создания единой системы учета компетенции персонала, сертификации клиентов и партнеров компании. TrainingWare ориентирован на крупные и средние компании, численностью от 300 человек, имеющие разветвленную структуру и испытывающие необходимость в непрерывном управлении знаниями сотрудников.

2) eLearning Server 3000 v2.0 позволяет создавать собственные Учебные центры в Интернет/Интранет и организовать полный цикл дистанционного обучения - управление расписанием, сертификацией знаний учащихся, электронной ведомостью успеваемости, электронной зачеткой и электронной библиотекой.

3) eLearning Office 3000 предназначен, прежде всего, для преподавателей высших и средних учебных заведений, а также для IT-специалистов, занимающихся проблемами дистанционного обучения. Развитие сети Интернет открывает новые перспективы дистанционного образования, при которых обучаемому обеспечиваются возможности, свойственные классическим традиционным видам обучения.

4) Среда IBM Workplace Collaborative Learning содержит автоматизированные средства разработки дистанционных курсов IBM Workplace Collaborative Learning Authorizing Tool, к которым относятся средства, позволяющие автоматизировать процесс создания и интеграции лекционного материала и тестов контроля знаний. Существуют два отдельных режима разработки дистанционного курса: для создания структуры курса служит режим планировщика, для создания страниц содержимого курса и зачетов по курсу служит режим разработки. Оба режима имеют удобный и интуитивно понятный интерфейс разработчика курса и включают практически все современные типы объектов, которые можно разместить на странице: текстовые объекты, графические объекты, звуковые объекты, кнопки и прочие.

5) HyperMethod 3.5 - конструктор мультимедиа приложений - предназначен для быстрого и эффективного создания информационных систем, презентационных дисков, электронных учебников, справочников, энциклопедий и любых других мультимедиа приложений. На сегодняшний день это единственный отечественный программный продукт, представленный на рынке средств разработки мультимедиа приложений.

Представленные примеры программных продуктов наряду с высокой ценой обладают тем недостатком, что при реализации курса и его модификации необходим посредник, хорошо знающий систему и производящий эти изменения за приемлемое время. Кроме того, большинство таких систем работает в окружении собственной оболочки, поэтому передача учебника или теста с помощью дискеты просто невозможна. Эти системы весьма эффективны при реализации учебного процесса в рамках ВУЗа или факультета. В настоящее время пока во многих учебных заведениях еще не сложилась ни финансовая ни организационная ситуация для полномасштабного использования таких средств. Поэтому при разработке и реализации электронных учебников и тестирующих систем одного или нескольких курсов приходится выбирать следующее:

  1. Операционная среда, в которой должны функционировать средства обучения и тестирования должна быть стандартной и минимальной.
  2. Требования к аппаратным средствам минимальны.
  3. Инструментальные средства разработки стандартные, например средства MS Office.
  4. Если используются не стандартные средства, то они должны быть либо Free Ware, либо Share Ware.
  5. Желательно, что бы учебный курс и тесты могли бы функционировать в режиме on-line в сети Internet.
  6. Общий объем средств обучения не должен превышать 1,44 – 2,88 Мб. (1 или 2 дискеты)

Программная реализация электронного учебника в среде SunRav BookEditor

Проектирование электронного учебника (КОС) разделяется на дидактическое и программное проектирование. При разработке дидактического проекта электронного учебника и его программной реализации мы руководствуемся устоявшимися на сегодняшний день, выдержавшими испытания временем, подходами [1; 4; 3]. 

Программная реализация электронного учебника в среде SunRav BookEditor может состоять из неограниченного количества глав, разделов и подразделов и осуществляется с помощью встроенных автоматизированных средств разработки, к которым относится возможность: создавать электронный курс в виде EXE файлов, в CHM, HTML, PDF форматах, а так же в любых других (используя  шаблоны). Предусмотрена возможность распространения на CD и DVD дисках вместе с бесплатной программой для просмотра, которая может озвучивать книги, автоматически пролистывать страницы, читать текстовые, HTML, RTF и MS Office документы. Также предусмотрена возможность читать и записывать ZIP архивы.

К основным возможностям среды SunRav BookEditor относятся:

-           создание текста с различными визуальными эффектами (различные шрифты: жирные, наклонные, подчеркнутые, перечеркнутые символы, а так же символы с чертой над ним, подстрочные и надстрочные индексы и т.д.);

-           работа со стилями текста;

-           создание параграфов с различными визуальными эффектами: нумерованные или не нумерованные или алфавитные списки, бордюры, цвет фона, выравнивание, отступы, межстрочные интервалы и т.д.;

-           использование изображений и любых OLE-объектов;

-           использование таблиц, таблицы могут быть вложены друг в друга;

-           использование аудио- и видео- файлов;

-           использование GIF анимации;

-           использование различных стандартных элементов Windows: кнопки, списки, выпадающие списки, радиогруппы и т.д.;

-           экспорт и импорт разделов в форматах HTML и RTF;

-           импорт

 всех документов форматов HTML, RTF, TXT из выбранной директории;

-           экспорт и импорт разделов из (в) файлы MS Office: DOC, XLS и т.д.;

-           работа с файлами формата CHM: импорт книг из этого формата и компиляция в этот формат, например, для создания файлов со справочной информацией;

-           использование различных ссылок для навигации по электронному курсу и запуска со страниц электронного курса различных внешних документов и программ;

-           интеграция с пакетом SunRav TestOfficePro позволяет создавать в электронном курсе ссылки на тесты и обучаемый сможет пройти тестирование во время обучения;

-           быстрый просмотр создаваемого электронного курса в программе SunRav BookReader в режиме обучаемого.

Следует отметить, что размер дискового пространства создаваемого электронного курса минимален.

При создании электронных учебных пособий необходимо иметь некоторые предварительные требования к разработчику и учебному курсу [4].

Во-первых, это – наличие программного обеспечения, которое разработчик в состоянии грамотно использовать.

Во-вторых, анализ объема графической и текстовой информации, количества разделов, глубины погружения при прохождении по тексту.

В-третьих, включение анимации или видеоизображения, «оживляющих» обучающий текст.

Применение стандартных инструментальных средств для разработки обучающих программ должно сократить время на разработку и облегчить сопровождение, модификацию и развитие электронных обучающих средств, а также обеспечить создание однотипного интерфейса в соответствии с санитарно-гигиеническими и психологическими требованиями.

Кроме того, необходимо учитывать назначение разрабатываемого электронного учебного пособия, необходимость его модификации и дополнения новыми данными, ограничение на объем памяти и др.

Наиболее распространенным языком программирования для представления материалов в сети Интернет является HTML, было принято решение создавать электронный учебник с помощью именно этого языка. HTML - Hyper Text Markup Language является стандартным языком, предназначенным для создания гипертекстовых документов в среде WEB. Несомненным достоинством HTML является то, что учебные пособия, созданные на его основе, не обязательно требуют подключения к сети Интернет и могут быть переданы пользователю (обучаемому) в виде файлов на любом носителе, что может быть использовано для организации обучения в локальной сети или на локальном компьютере.

Как было отмечено выше, инструментальная среда SunRav BookEditor предоставляет возможность экспорт и импорт разделов электронного учебника в формат HTML, что также сыграло большую роль при выборе среды разработки.

Таким образом, перед авторами статьи стояла задача разработки электронного учебника по дисциплине «Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы» в инструментальной среде SunRav BookEditor, который должен содержать теоретическую часть и лабораторный комплекс, состоящий из 6 лабораторных работ.

Разработка электронного учебника в инструментальной среде SunRav BookEditor начинается с разработки его оглавления.

В соответствии с дидактическим проектом учебной дисциплины весь материал был разбит на главы и разделы и соответствующим образом оформлен в среде SunRav BookEditor. На рис.1 изображен процесс создания оглавления первой главы ЭУ «Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы»в режиме создания оглавления.

 

Рис. 1.Рабочее окно SunRav BookEditor

 

Сопровождение обучения лабораторными работами и практическими занятиями является более сложной задачей и решается более сложными способами. Практические занятия и лабораторные работы невозможно реализовать посредством внутренних средств SunRav BookEditor, поэтому они должны быть разработаны отдельно и интегрированы в программное обеспечение электронного учебника, разработанного в среде SunRav BookEditor.

Для разработки программной реализации лабораторных работ и практических занятий используется среда разработки NetBeans IDE 6.0 — бесплатная, свободно распространяемая, c открытым исходным кодом интегрированная среда разработки приложений (IDE) на языке программирования Java. Java предоставляет для широкого использования свои апплеты (applets) — небольшие, надежные, динамичные, не зависящие от платформы активные сетевые приложения, встраиваемые в страницы Web. Апплеты Java могут настраиваться и распространяться потребителям с такой же легкостью, как любые документы HTML.

При разработке лабораторных работ по изучению методов математической статистики использовался подход, предложенный в [3]. Основная идея данного подхода состоит в том, что при создании тематических фрагментов сценария обучения математическим методам в программной реализации сценария можно учесть, что в основе каждого математического метода лежит алгоритм, то есть способ или последовательность действий для получения результата, однозначно определяемого исходными данными. Поэтому создается программа в виде апплета Java, которая в своей основе содержит алгоритм процесса обучения алгоритму-методу.

Программное обеспечение, реализующее одну лабораторную работу, состоит из одной HTML-страницы, а также нескольких (от двух до шести) JAVA-апплетов.

На рис.2 представлена обобщенная схема программного и информационного обеспечения электронного учебника. Лабораторный комплекс как информационный объект связан с физическим модулем подключения программ-апплетов, реализующих лабораторные работы (ЛР). Со страниц электронного учебника или из оглавления можно обращаться к внешним компьютерным обучающим системам (КОС), которые могут быть также разработаны в среде SunRav BookEditor и содержать учебный материал, который может мобильно модернизироваться или дополняться. При этом основной электронный учебник заново не перерабатывается.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис.2. Обобщенная схема программного и информационного обеспечения электронного учебника

 

В разработанном электронном учебнике в качестве внешней КОС выступила компьютерная обучающая система «Проверка статистических гипотез», содержащая в своем составе 6 лабораторных работ:

1.       Проверка гипотезы о законе распределения. Критерий согласия Пирсона

2.       Проверка гипотезы о законе распределения. Критерий согласия Колмогорова.

3.       Сравнение нескольких дисперсий по выборкам одинакового объема. Критерий Кочрена

4.       Сравнение двух дисперсий по выборкам различного объема. Критерий Фишера.

5.       Сравнение двух средних по выборкам различного объема. Критерий Стьюдента

6.       Сравнение двух средних произвольно распределенных совокупностей (большие независимые  выборки).

Реализация тематических компонентов компьютерной обучающей системы “Метода проверки статистических гипотез”также была осуществлена в среде SunRav BookEditor.

Лабораторный комплекс «Методы проверки статистических гипотез» обеспечивает  выполнение следующих функций:

 - выбор метода;

 - задание характеристик и параметров измерений;

 - моделирование результатов измерений, либо ручной ввод измерений, либо загрузка результатов измерений из файла, соответственно сохранение результатов измерений в файл;

 - выполнение алгоритмов проверки статистических гипотез;

 - вывод информации о числовых характеристиках случайных величин;

 - вывод результатов работы алгоритма на экран.

На рис.3 представлен фрагмент тематической компоненты КОС «Проверка статистических гипотез» в режиме обучаемого.

 

 

Рис.3. Окно пользовательского интерфейса программы для чтения SunRav BookReader

 

 

На рис.4 представлен фрагмент электронного учебника после конвертации его в формат HTML.

Рис.4. Электронный учебник в формате HTML

 

Навигация по разделам осуществляется с помощью представленного в левом окне интерфейса дерева иерархии курса. В основном окне справа отображается информация, составляющая основу текущего занятия.

На рис.5. представлен пример экранной формы шага 1 (ввод исходных данных) лабораторной работы №4 «Точечная и интервальная оценка дисперсии случайной величины».

 

Рис.5. Пример экранной формы выполнения лабораторной работы № 4. Шаг 1.

 

Программный лабораторный комплекс входит в состав электронного учебника “Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы” и позволяет обучить пользователя алгоритмам первичной обработки результатов измерений случайной величины по выборке измерений случайной величины, введенной вручную или сгенерированной по заданному (нормальному, показательному и равномерному) законам распределения.

 

 

Рис.6. Пример экранной формы выполнения учебно-исследовательского задания лабораторной работы

 

На рис. 6 представлен пример экранной формы фрагмента лабораторной работы №5 «Оценка функции и плотности распределения случайной величины».

Анализ и оценка разработки

В ходе разработки были решены следующие основные задачи:

          разработана структура и содержание тематических компонент электронного учебника «Теория вероятностей, математическая статистика и случайные прцессы» и КОС «Методы проверки статистических гипотез» в среде SunRav BookEditor;

          разработано программное обеспечение двух лабораторных комплексов, включающих 12 лабораторных работ;

          программное обеспечение лабораторных комплексов и внешней КОС включено в состав разработанного учебника;

          в состав электронного учебника включены модули контроля и оценки знаний и умений;

          электронный учебник конвертирован в HTML - формат

При разработке программного обеспечения, реализующего автоматизированное выполнение лабораторных работ, использовался принцип выделения структурных дидактических, алгоритмических и программных инвариантов [3], которые не зависят от операционной системы и среды программирования. За счет реализации программных инвариантов, разработанных на предыдущих итерациях процесса разработки, сокращается время разработки программного обеспечения. Разрабатываемое программное обеспечение предназначено для самостоятельного изучения алгоритмов первичной обработки результатов измерений случайной величины и алгоритмов проверки статистических гипотез. Поскольку реализация программного обеспечения лабораторных работ не входит в перечень функций инструментальной среды SunRav BookEditor, статистика и учет результатов обучения при выполнении лабораторных работ в этой среде не ведется. Выполнение лабораторных работ является средством самоконтроля. При изучении теоретического материала и выполнении тестов автоматически ведутся журналы обучения и в среде накапливается общий рейтинг обучаемого.

Заключение

Описаны основные этапы процесса проектирования электронного учебника в среде SunRav BookEditor: реализация тематических компонент и разработка программного обеспечения лабораторного комплекса электронного учебника «Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы» и КОС «Методы проверки статистических гипотез» с использованием языка программирования JAVA. Приведенные решения и разработанная  технология дидактического и программного проектирования процесса автоматизированного обучения выполнению лабораторных работ на основе алгоритмических инвариантов позволяют создавать электронные курсы с требуемыми функциональными возможностями и могут быть использованы при разработке электронных курсов по дисциплинам, включающим учебный материал сложной алгоритмической природы.

Разработанный электронный учебник предполагается внедрить в учебный процесс  на кафедре прикладной математики и информатики (ПМИ) КГТУ им. А.Н. Туполева для индивидуального обучения студентов очной и заочной формы обучения, а также для самоконтроля и контроля полученных знаний и умений.

 

Литература

1. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. – М: Филинъ, 2003.– 616 с.

2. Газизова Н.Н., Журбенко Л.Н. Специальная математическая подготовка в технологическом университете. //Международный журнал «Educational Technology&Society», «Образовательные технологии и общество»– 2008. – Т. 11, № 4, с. 376-380.

3. Кожевников Ю.В., Медведева С.Н. Дидактическое проектирование компьютерных технологий обучения для профессиональной математической подготовки по специальности «Прикладная математики и информатика». //Educational Technology&Society –2000. – Т.3, № 4, с. 203-213.

4. Липаев В.В. Качество программных средств. Методические рекомендации. – М.: Янус-К, 2002. – 400 с.

 5. Медведева С.Н. Проектирование дистанционного курса «Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы» в среде IBM Workplace Collaborative Learning. //Международный журнал «Educational Technology&Society”, «Образовательные технологии и общество» – 2009. – Т. 12, № 1, с. 417-425.