Проектирование электронного курса сложной логической структуры в системе дистанционного обучения Blackboard

С.Н. Медведева, доцент, к.пед.н., кафедра Прикладной математики и информатики Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н.Туполева - КАИ, ул.К.Маркса, 10,  г. Казань, 420111, +79172235641
pmisvet@yandex.ru

К.П.Дубовский, магистр, кафедра Прикладной математики и информатики Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н.Туполева - КАИ, ул.К.Маркса, 10,  г. Казань, 420111, +79274673684
dubovsky.box@gmail.com

аннотация

Предлагаются подходы к решению проблем разработки дидактического проекта учебной дисциплины сложной логической структуры, а также  программной реализации проекта в виде электронного курса в системе дистанционного обучения Blackboard на примере дисциплины «Теория вероятностей и математическая статистика».

Suggests approaches to solving the problems of didactic project discipline complex logical structure, as well as program implementation of computer courses of academic discipline "Probability theory and mathematical statistics" an electronic distance-learning system Black Board.

 

 

Ключевые слова

Система дистанционного обучения Blackboard, проектирование и реализация электронного курса, методы и алгоритмы, автоматизированное решение практических задач,  инварианты компьютерной дидактики;

The electronic distance-learning system Blackboard, project design and program realization of computer courses, methods and algorithms,  automated decision of practical tasks, invariants of computer didactics.

 

Введение

Современный период развития российского образования характеризуется процессами совершенствования компьютерных средств обучения на основе современных информационных технологий, которые в образовании играют все более существенное значение. Перед преподавателями высшей школы в этих условиях стоит задача подготовки специалистов к профессиональной деятельности путем внедрения в образовательный процесс инновационных технологий с использованием информационных технологий. В связи с этим преподаватель должен обладать профессиональными компетенциями, включающими в себя способность планировать учебный процесс, реализуемый с использованием современных технологий электронного обучения; разрабатывать электронные образовательные ресурсы для дисциплин, преподавание которых осуществляется на основе современных технологий электронного обучения; применять современные технологии электронного обучения на основе электронных образовательных ресурсов в основном образовательном процессе. С другой стороны, современный уровень развития информационных и коммуникационных технологий формирует новое поколение студентов, обладающих достаточным уровнем информационной грамотности (Жукова Н.С., 2011), особенно это относится к студентам, обучающихся по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника» и другим направлениям, связанным с разработкой информационных и телекоммуникационных технологий.

Поэтому исследования в области разработки электронных курсов с использованием инструментальных сред систем дистанционного обучения  продолжают носить актуальный характер, так как разрабатываемые электронные курсы являются одной из составляющих частей современного учебно-методического обеспечения. 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 (Кожевников Ю.В., Медведева С.Н., 2000). Опыт разработки электронных учебников и компьютерных обучающих систем (КОС) с помощью различных языковых и инструментальных средств (MS C, Visual C++, Delphi 7.0, Java, Lotus Learning Space 5.0., IBM Workplace Collaborative Learning, SunRav BookEditor, Moodle), 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 какого направления подготовки оно предназначено. Следует отметить, что предложенные в (Кожевников Ю.В., Медведева С.Н., 2000) инварианты компьютерной дидактики были успешно использованы в различных программных реализациях. Весной 2011 года в течение двух месяцев в системе дистанционного обучения Blackboard была разработана первая версия электронного курса по дисциплине «Теория вероятностей и математическая статистика», предназначенного для подготовки бакалавров по направления 230100 – «Информатика и вычислительная техника».

В данной работе приводится описание основных этапов процесса проектирования и реализации тематических компонент и программного обеспечения электронного курса «Теория вероятностей и математическая статистика» с освещением специфики инструментальных средств среды разработки Blackboard.

Инструментальные и языковые средства разработки электронных учебников и электронных курсов

Инструментальные средства – программное и информационное обеспечение, используемое для представления учебных материалов в форме, требуемой для использования в электронном учебнике или электронном курсе. 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 курсов.

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. С использованием  этой технологии, при минимизации первоначальных финансовых затрат, квалифицированными пользователями могут создаваться фрагменты электронных курсов а также электронные учебники. Следует отметить, что  создание электронных учебников на основе данной технологии характеризуется 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 российской компании SunRav (г. Новосибирск). Программные продукты этой компании на наш взгляд достаточно просты в освоении и позволяют в сжатые сроки разрабатывать электронные учебники и тесты для локального использования и для организации дистанционного обучения (Медведева С.Н. 2009).

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. Краткое описание этих систем  приведено в (Медведева С.Н., 2009).

          Приведенные 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. Эти системы весьма эффективны при реализации учебного процесса в рамках ВУЗа или факультета. К данному классу систем относится система дистанционного обучения (СДО) Blackboard, развернутая в марте 2011 г. в КНИТУ-КАИ. Режим администратора СДО Blackboard предусматривает все стандартные функции для работы с пользователями: создание, редактирование, удаление, организацию пользователей в группы, ограничение прав пользователей, а также управление конфигурацией. Разработка электронного курса в СДО Blackboard выполняется в режиме разработчика, то есть пользователю-разработчику администратором должны быть предварительно предоставлены права на ввод и редактирование компонентов электронного курса.

Проектирование электронного курса в СДО Black Board

Проектирование электронного курса в СДО Blackboard, как показывает опыт авторов данной работы, можно эффективно проводить на основе материалов созданного ранее электронного учебника или КОС. Процесс проектирования электронного учебника разделяется на дидактическое и программное проектирование. При разработке дидактического проекта электронного курса и его программной реализации мы руководствуемся устоявшимися на сегодняшний день, выдержавшими испытания временем, подходами (Кожевников Ю.В., Медведева С.Н., 2000), (Башмаков А.И., Башмаков И.А., 2003), (Липаев В.В.., 2002). 

Перечислим основные стандартные функциональные возможности среды Blackboard, которые могут быть  использованы разработчиком электронного курса в режиме удаленного доступа:

-           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.);

-           использование изображений и любых OLE-объектов;

-           использование аудио- и видео- файлов;

-           использование GIF анимации;

-           создание банка тестовых заданий с возможностью генерации тестов для организации тестирования на различных этапах контроля знаний и умений  в электронном курсе;

-           быстрое переключение в режим просмотра создаваемого электронного курса в режиме обучаемого.

Большим достоинством является наличие встроенного редактора формул, что очень важно при  разработке учебного материала и контрольных(тестовых) материалов в электронных курсах по математическим дисциплинам . Если учебный материал  с математическими формулами уже набран, например, в текстовом редакторе MS Word с использование пакета MS Equation, то данный текст может быть добавлен в электронный курс. Аналогично, если тестовые задания ( в том числе и с математическими формулами) по дисциплине набраны в текстовом редакторе MS Word, то они могут быть добавлены в банк тестовых заданий электронного курса. Таким образом, применение инструментальных средств среды Blackboard в процессе разработки электронного курса  значительно сокращает время на разработку за счет использования заранее созданных компонентов в стандартных программных продуктах MS Windows, таких как MS Office, Paint, Windows Movie Maker и др., обеспечивает создание однотипного интерфейса в соответствии с санитарно-гигиеническими и психологическими требованиями, облегчает сопровождение, модификацию и развитие электронного курса.

Перед авторами статьи стояла задача программной реализации  электронного курса по дисциплине «Теория вероятностей и математическая статистика» в инструментальной среде Blackboard. В состав электронного курса должны  были войти учебные и контролирующие материалы по видам занятий, предусмотренные рабочей программой этой дисциплины. В соответствии с Учебным планом Федерального Образовательного Стандарта 3-го поколения для подготовки бакалавров по направлению 230100 – Информатика и вычислительная техника на кафедре Прикладной математики и информатики КНИТУ-КАИ, дисциплине «Теория вероятностей и математическая статистика» отводится 5 зачетных единиц, которые предусматривают 36 часов лекций, 18 часов практических занятий, 18 часов лабораторных работ, экзамен  и расчетно-графическую работу. Разработка электронного курса выполнялась с целью пополнения учебно-методического обеспечения учебной дисциплины "Теория вероятностей и математическая статистика" для данного учебного направления для самостоятельной работы студентов.

Разработка электронного курса в среде Blackboard начинается с разработки оглавления курса. В соответствии с требованиями УМЦ КНИТУ-КАИ к составу электронного курса, декларативная часть разрабатываемого электронного курса содержит аннотацию; рабочую программу дисциплины; методические указания по решению практических задач, по выполнению лабораторных работ, по выполнению расчетно-графической работы; лекционный материал по темам дисциплины, справочные материалы в виде глоссария.  Для текущего контроля знаний по разделам электронного курса и итогового контроля в состав электронного курса добавлен банк из 150 тестовых заданий, из которого задания выбираются при создании определенного теста.  Оглавление разработанного электронного курса представлено на рис.1 в двух видах: обычного списка и в виде дерева папок.

 

           

Рис. 1. Оглавление электронного курса в виде списка и в виде дерева папок

 

Навигация по разделам осуществляется обычным способом: через оглавление в левом окне открывается требуемый раздел с перечнем  требуемого вида занятий в правом окне (см. рис.2.).

 

Рис. 2. Навигация по разделам курса.

При выборе требуемого вида занятия, в основном рабочем окне справа от оглавления отображается информация, составляющая основу текущего занятия, которую можно редактировать (см. рис.3).

 

 

Рис. 3. Режим редактирования фрагмента лекции курса.

 

Добавление математических формул можно осуществить при помощи блока инструментальных средств для вставки математических формул в Web страницы  WebEQ, аналогично добавлению формул в Microsoft Office (см. рис.4).

 

Pис.4. Редактор формул WebEQ

 

Также для ввода математических формул можно использовать язык математической разметки MathML, приложения XML,  используемое для представления математических символов и формул в веб-документах.

 

Рис.5. Редактор формул MathML

 

Режим разработчика позволяет работать с различными компонентами курса, которые записываются для хранения в базу знаний системы, называемую Content Collection. На рис.6 представлен пример вида рабочего окна в режиме управления курсом: открыто хранилище Content Collection для работы с содержанием курса, которое отображается в виде списка различных данных курса (папки с лекциями, методическими указаниями, HTML файлы, лабораторные работы в виде апплетов на языке Java и др.).

 

 

Рис. 6. Пример рабочего окна разработчика

 

В составе учебного материала в современном электронном курсе должны быть презентации. В среде Blackboard презентацию, разработанную в MS PowerPoint можно добавить через сторонний ресурс www.slideshare.com. Для этого необходимо пройти регистрацию на сайте www.slideshare.com, добавить на этот сайт свою презентацию с уникальным тегом, либо запомнить URL-адрес своей презентации. На инструментальной панели режима разработчика BlackBoard выбрать команду «Добавить машап» и ввести либо  тег, либо URL-адрес своей презентации (см. рис.7).

 

 

Рис. 7. Поиск презентации для загрузки в Blackboard

 

Сопровождение обучения интерактивными лабораторными работами является более  сложной задачей и решается более сложными способами. Автоматизированное выполнение расчетных и исследовательских заданий лабораторных работ невозможно реализовать только посредством внутренних средств Black Board, поэтому они должны быть разработаны отдельно и интегрированы в структуру электронного курса.

Для разработки программной реализации лабораторных работ разрабатываемого электронного курса 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, основанный на идее программных инвариантов, предложенный в (Кожевников Ю.В., Медведева С.Н., 2000). 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. Применительно к исследуемым в лабораторных работах методам первичной обработки измерений случайных величин было показано (Кожевников Ю.В., Медведева С.Н., 2000), что эти методы обладают свойством вложенности, что позволяет выделить алгоритмические инварианты, и использовать их в программной реализации в качестве программных инвариантов, что ведет к сокращению времени разработки программного обеспечения.

Программное обеспечение, реализующее одну лабораторную работу, представляет собой одну HTML-страницу и несколько (от двух до шести) Java-апплетов. Для загрузки апплета в электронный курс необходимо программные модули апплета заархивировать с помощью архиватора файлов ZIP и добавить в хранилище Content Collection. (Рис. 8)

Рис.8. Загрузка программного обеспечения лабораторной работы

 

Лабораторный комплекс разрабатываемого электронного курса включает 4 лабораторные работы по темам «Исследование выборки и вариационного ряда», «Оценка математического ожидания случайной величины». «Оценка дисперсии случайной величины», «Оценка функции и плотности распределения случайной величины» и обеспечивает выполнение следующих функций:

 - вывод информации по кратким теоретическим сведениям по теме лабораторной работы;

-  выбор метода;

 - задание характеристик и параметров закона моделирования результатов измерений случайной величины;

 - ввод результатов измерений случайной величины с клавиатуры;

 - многократное выполнение алгоритма выбранного метода с возможностью задания различных исходных данных;

 - наблюдения результатов работы алгоритма в числовом и графическом виде;

На рис.9 представлен пример запуска лабораторной работы на выполнение в режиме разработчика после ее загрузки.

 

Рис.9. Запуск на выполнение загруженной лабораторной работы

 

На рис.10. представлен фрагмент HTML страницы лабораторной работы №2 «Точечная и интервальная оценка дисперсии случайной величины» с началом выполнения алгоритма изучаемого метода (фрагмент ввода исходных данных), а на рис.11 представлен пример выполнения учебно-исследовательского задания в этой лабораторной работе.

 

 

Рис.10. Пример экранной формы с вводом данных для выполнения алгоритма исследуемого метода в лабораторной работе № 2

 

 

Рис.11. Пример экранной формы выполнения учебно-исследовательского задания лабораторной работы № 2

 

Особый интерес на наш взгляд представляют также возможности среды Blackboard при создании тестов и тестовых заданий. Этому  вопросу может быть посвящено отдельное исследование. Здесь мы приводим перечень видов тестовых заданий, в среде Blackboard они называются вопросами (см. рис.12).

 

Рис.12. Перечень видов вопросов, предлагаемый разработчику в среде Black Board

Перечисленные в выпадающем меню на рис.12 виды вопросов соответствуют тестовым заданиям различных форм, таких как открытое задание (ввод  правильного ответа), задание закрытой формы (выбор одного или нескольких правильных ответов), задание на соответствие, задание на последовательность, задание на конструирование. В соответствии с нормативными документами Госстандарта России и международными стандартами эти формы тестовых заданий достаточны для эффективного тестирования. При разработке первой версии контролирующих материалов разрабатываемого электронного курса для промежуточного и итогового тестирования были использованы формы тестовых заданий - открытое, закрытое, задание на соответствие.

 

 

Рис.13. Пример тестовых заданий закрытой формы в электронном курсе

Анализ и оценка разработки

В ходе разработки были решены следующие основные задачи:

          разработана структура и содержание тематических компонент электронного курса «Теория вероятностей и математическая статистика» в среде Black Board;

          разработано программное обеспечение лабораторного комплекса, включающего 4 лабораторные работы;

          программное обеспечение лабораторного комплекса включено в состав разработанного курса;

          разработаны и включены в состав электронного курса тестовые задания для контроля и оценки знаний;

При разработке программного обеспечения, реализующего автоматизированное выполнение лабораторных работ, использовался принцип выделения структурных дидактических, алгоритмических и программных инвариантов (Кожевников Ю.В., Медведева С.Н., 2000), 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. Программное обеспечение лабораторного комплекса предназначено для самостоятельного изучения и исследования алгоритмов первичной обработки результатов измерений случайной величины на основе методических указаний. Поскольку реализация программного обеспечения лабораторных работ не входит в перечень функций инструментальной среды Black Board, статистика и учет результатов обучения при выполнении лабораторных работ в этой среде не ведется. Выполнение лабораторных работ является средством самоконтроля. Контроль за выполнением лабораторных работ со стороны преподавателя возможен запросом отчетов студентов по выполнению лабораторных работ,  во-первых, к определенному сроку и, во-вторых, ограничением доступа к данному ресурсу после определенной даты в течение семестра. При изучении теоретического материала и выполнении тестов автоматически ведутся журналы обучения и результатов контроля и накапливается общий рейтинг обучаемого в течении семестра. Положительный эффект при изучении электронного курса учебной дисциплины дает такая возможность СДО, как чат - общение обучаемых между собой в рамках учебной группы, а также с преподавателем в режиме реального времени, а также другие преимущества, свойственные информационно-телекоммуникационной технологии обучения (Ахметшин Д.А., Курмангрлиев Д.Р., 2010).   

Заключение

Описаны основные этапы процесса разработки электронного курса «Теория вероятностей и математическая статистика» в СДО Blackboard с использованием языка программирования Java. Приведенные решения и разработанная  технология дидактического проектирования и программной реализации процесса автоматизированного обучения при выполнении интерактивных 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 курс «Теория вероятностей и математическая статистика» в среде Blackboard предполагается внедрить в учебный процесс  на кафедре прикладной математики и информатики (ПМИ) КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ для студентов очной и заочной формы обучения по направлению 230100 -«Информатика и вычислительная техника».

 

Литература

  1. Жукова Н.С. Сравнительный анализ уровня информационной грамотности студентов сетевого поколения в России и Германии. //Международный журнал «Educational Technology&Society”, Восточно-Европейская подгруппа Международного Форума «Образовательные технологии и общество» – Казань: КГТУ – 2011. – Т. 14,  № 2, с. 529-565.
  2. Кожевников Ю.В., Медведева С.Н. Дидактическое проектирование компьютерных технологий обучения для профессиональной математической подготовки по специальности «Прикладная математики и информатика». //Educational Technology&Society –Казань: КГТУ – 2000. – Т.3. № 4, с. 203-213.
  3. Медведева С.Н. Проектирование электронных курсов в инструментальной среде SunRav BookEditor. //Международный журнал «Educational Technology&Society”, Восточно-Европейская подгруппа Международного Форума «Образовательные технологии и общество» – Казань: КГТУ – 2009. – Т. 12,  № 2, с. 339-348.
  4. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. – М: Филинъ, 2003.– 616 с.
  5. Липаев В.В. Качество программных средств. Методические рекомендации. – М.: Янус-К, 2002. – 400 с.
  6. Ахметшин Д.А., Курмангрлиев Д.Р. Перспективы развития дистанционных технологий в образовательном пространстве университета. //Международный журнал «Educational Technology&Society”, Восточно-Европейская подгруппа Международного Форума «Образовательные технологии и общество» – Казань: КГТУ – 2010. – Т. 13,  № 4, с. 397-402.