Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Специальность 05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
Использование инструментов UML и шаблонов проектирования J2EE для построения систем дистанционного обучения
Егоров Ярослав Сергеевич
Москва - 2007
Работа выполнена на кафедре математических основ управления Московского физико-технического института (государственного университета)
Научный руководитель: кандидат физ.-мат. наук, профессор Самарский Юрий Александрович
Официальные оппоненты:
доктор физ.-мат. наук, профессор Афанасьев Александр Петрович
кандидат технических наук Скрибцов Павел Вячеславович
Ведущая организация: Вычислительный центр им. А.А. Дородницына РАН
Ученый секретарь диссертационного совета Федько О.С.
1. Общая характеристика работы
автоматизация шаблон дистанционный обучение
Актуальность темы
В современном мире все большее значение приобретают знания и информация. Наблюдается устойчивый рост интереса коммерческих организаций к проблемам эффективного обучения и повышения квалификации своих сотрудников. В последнее время широкое распространение получает дистанционная форма обучения, во многом заменяющая заочную. Учитывая территориальные особенности России и возрастающие потребности качественного образования в регионах, дистанционное обучение быстро развивается и занимает важное место в сфере образовательной деятельности.
Динамичное развитие информационных технологий и сети Интернет открывает широкие возможности для образования. С помощью современных компьютеров можно визуально продемонстрировать природные явления, моделировать сложное техническое оборудование. Интернет позволяет вести обучение удаленных пользователей в режиме непрерывного взаимодействия. Автоматизация процессов обучения и проверки знаний позволяет избавиться от большого количества бумажных документов, повышает прозрачность учебного центра, облегчает координацию действий, выполняемых преподавателями, учащимися, административными сотрудниками.
Направление автоматизации образования быстро развивается. Разрабатываются новые программные комплексы различных масштабов, реализующие многочисленные функциональные требования и использующие новые научные и технологические достижения. Несмотря на большое количество доступных программных средств, существует ряд проблем, возникающих при выборе и внедрении системы управления обучением. Такими проблемами являются: разрозненность и несовместимость существующих систем и учебных материалов; жесткие требования многих систем к технологическим и аппаратным платформам, создающие проблемы переносимости и масштабируемости; сложность поддержки, изменений и расширения систем; проблемы интеграции в общее информационное пространство и технологическую инфраструктуру организации.
В работе анализируются перечисленные проблемы и предлагаются методы и технологии их решения.
Цель работы
Целью работы является построение гибкой модели образовательных объектов, разработка технологий автоматизации основных процессов корпоративного обучения и технологий построения программных комплексов, предназначенных для управления обучением.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ и описание с помощью средств UML архитектурной модели системы дистанционного обучения, предоставляющей возможности для расширения функциональности и развития системы.
2. Разработка технологий для решения ряда задач построения системы на основе шаблонов проектирования.
3. Разработка логической структуры образовательных сущностей, таких как задания различных типов и тесты. Разработка формата их представления на основе языка XML и механизма трансформации объектов системы в этот формат.
4. Разработка технологии автоматизации тестирования учащихся, основанной на использовании шаблонов тестов.
5. Формирование предложений по выбору технической (аппаратной) реализации систем дистанционного обучения.
6. Программная реализация предложенных моделей и технологий в системе управления обучением.
Научная новизна
В работе предложены технологии и методы решения задач, возникающих при проектировании систем управления обучением. В отличие от большинства используемых технологий, предложенные решения имеют следующие особенности:
1. Разработаны модификации известных шаблонов проектирования для решения задач построения системы дистанционного обучения.
2. Предложена гибкая, расширяемая логическая модель образовательных объектов, обеспечивающая возможность добавления новой функциональности в рамках существующей модели. Формат представления учебных объектов реализует методы международного стандарта построения учебных курсов SCORM.
3. Предложена новая технология реализации тестов на основе шаблонов, которая позволяет назначать учащимся индивидуальные задания, построенные по совокупности общих правил.
4. Предложенные технологии обеспечивают независимость системы от аппаратной платформы, масштабируемость, возможность интеграции и обмена данными с другими информационными системами предприятия, такими как система управления кадрами.
Практическая ценность
Предложенные модели и технологии применимы для широкого круга прикладных задач, возникающих при проектировании и разработке систем управления обучением. В работе рассмотрены и решены задачи, связанные с моделированием логической структуры образовательных объектов и динамики их взаимодействия при выполнении процессов системы. Несмотря на активное развитие систем дистанционного обучения, эти задачи до сих пор актуальны для всех разработчиков систем.
Разработанная технология и технические предложения организации тестов позволяют решить актуальную проблему индивидуальной проверки знаний учащихся и могут быть успешно использованы при аттестации персонала предприятия. Предложенный формат учебных объектов совместим с международным стандартом SCORM, что позволяет использовать большое количество готовых учебных курсов, разработанных сторонними организациями. Предложенная архитектура предоставляет широкие возможности для развития, расширения функциональности и адаптации системы под нужды конкретной организации. Возможность развертывания системы на разных аппаратных и технологических платформах обеспечивает независимость от технологической инфраструктуры предприятия и возможность масштабирования системы, актуальную для развивающихся и изменяющихся организаций.
Системы, применяющие предложенные технологии, могут использоваться в различных организациях для автоматизации корпоративного обучения, повышения квалификации и аттестации персонала. Автор принимал участие в разработке подобной системы, которая внедрена и успешно используется в ряде российских организаций.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях МФТИ (Долгопрудный, 2005, 2006), научных семинарах кафедры математических основ управления МФТИ и Центра сетевых образовательных технологий и систем МФТИ (Долгопрудный, 2003-2007), международной научно-технической конференции «Инноватика-2007» (Сочи), международной научно-технической конференции, посвященной проблемам электронного обучения, «Online Educa Berlin 2006» (Берлин).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе одна в издании из списка, рекомендованного ВАК РФ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, одного приложения, содержит 49 иллюстраций и 10 таблиц. Общий объем диссертации составляет 142 страницы.
2. Содержание работы
Во введении обоснована актуальность и практическая ценность темы исследования, описаны решаемые проблемы и цели исследования. Приведен обзор работ на данную тему, указано текущее состояние технологий моделирования сущностей и процессов информационной системы и их применение в современных системах дистанционного обучения. Рассмотрены работы, посвященные моделированию образовательных объектов.
В главе 1 приводится обзор ведущих современных систем управления обучением, используемых для автоматизации корпоративного обучения российскими организациям, история их появления и развития. Рассматривается понятие программной архитектуры и проводится исследование инструментальных средств, предназначенных для проектирования программного обеспечения. Рассматриваются различные методы построения приложений в архитектуре «клиент-сервер».
Российский рынок систем дистанционного обучения достаточно молод. Первые серьезные отечественные приложения для автоматизации обучения появились в конце 90х годов. В настоящее время разработан ряд успешных программных комплексов, предназначенных для технологической поддержки корпоративного обучения. Подробно рассмотрены наиболее известные российские системы «Прометей», «eLearningServer» и «WebTutor». Также рассмотрены зарубежные системы «Moodle» и «Sakai». Проведен сравнительный анализ особенностей построения систем, их преимуществ и недостатков. Выделены наиболее актуальные проблемы современных систем, зависящие от технологических особенностей построения: расширяемость, масштабируемость, зависимость от аппаратной платформы, совместимость с учебным материалом сторонних производителей, сложность поддержки.
Для крупных и сложных систем актуальна проблема трудоемкости их поддержки и развития, которая может быть решена с помощью построения строгой и понятной архитектурной модели. Рассматриваются «классические» определения, способы описания архитектуры и проектирования программного обеспечения. Производится анализ и сравнение технических средств моделирования сложных систем и исследуется целесообразность их применения в той или иной области. Выделяются следующие основные модели программной архитектуры:
Логические модели задают объектную структуру приложения. Их основная цель - описание логических связей между компонентами приложения, которые объединяют их в единую систему.
Процессные модели концентрируются на построении принципов динамического поведения системы: описывают события, активности и процедуры, выполняемые на отдельных фазах процессов, участвующие в них объекты и их динамическое взаимодействие.
Физические модели задают правила отображения элементов программного средства на аппаратное обеспечение.
Исследуются методы и инструменты моделирования программных комплексов: формальные методы, такие как теории графов и сети Петри; языки описания архитектур ADL, примерами которых являются Wright, UniCon, ACME; средства визуального моделирования - CRC-карты, стандарт IDEF, диаграммы потоков данных.
Одним из наиболее удобных и широко используемых средств проектирования сложных объектно-ориентированных систем является унифицированный язык моделирования UML, разработанный при участии Г. Буча, Дж. Рамбо и И. Якобсона.
Спецификация UML 2.0 состоит из двенадцати основных диаграмм, описывающих архитектуру приложения в разных сечениях. Диаграммы UML можно разделить на две основные группы: структурные диаграммы и диаграммы поведения. Структурные диаграммы предоставляют средства для моделирования логической, объектной структуры системы. Диаграммы поведения позволяют моделировать процессы системы и принципы взаимодействия компонентов при исполнении приложения. Использование совокупности необходимых диаграмм UML предоставляет широкие возможности для описания полной программной архитектуры приложения.
Язык имеет следующие преимущества:
UML - объектно-ориентированный язык, его методы семантически близки к методам программирования и могут быть преобразованы в код современных объектно-ориентированных языков;
UML позволяет описать систему в перспективах логической, процессной и физической архитектурной модели;
Диаграммы UML просты и удобны для использования;
UML получил широкое распространение и динамично развивается, его методы поддерживаются многими инструментальными средствами.
Традиционные подходы в моделировании разбивают систему на функциональные фрагменты. На верхнем уровне абстрагирования приложения достаточно четко можно выделить следующие компоненты:
логика доступа к ресурсам;
бизнес-логика;
презентационная логика.
Уровень доступа к ресурсам определяет структурную модель данных. Часто этот уровень представляет собой именно СУБД. В сложных приложениях можно выделить дополнительный уровень, реализующий проецирование сущностей системы на структуру данных.
Уровень бизнес-логики определяет динамическое поведение системы: выполнение функциональных операций, реализацию бизнес-процессов системы, управление сессиями.
Презентационная логика реализует интерфейс приложения, правила представления информации пользователю и получения обратной связи.
Существуют различные способы распределения уровней абстракции логики между физическими компонентами системы. Подробно рассматриваются модели «тонкого» и «толстого» клиента, анализируются их свойства.
Разделение приложения на несколько функциональных уровней позволяет ограничить и упорядочить обмен информацией между ними. Во-первых, это делает уровни более независимыми друг от друга: изменение на одном уровне не влияет на работу других частей приложения. Во-вторых, запрет на прямой доступ к данным другого уровня повышает безопасность приложения. Данные могут передаваться между уровнями только через специальные интерфейсы, что упрощает контроль над передачей информации и уменьшает вероятность несанкционированного доступа. Многоуровневая архитектура позволяет повысить структурированность и прозрачность кода, облегчает поддержку и развитие сложного приложения.
Рассматриваются известные технологические средства реализации разных уровней приложения.
Глава 2 посвящена задачам, возникающим при проектировании приложений в трехуровневой архитектурной модели и их решению с помощью методов и шаблонов проектирования. Проводится исследование существующих шаблонов проектирования, рассматриваются способы решения с их помощью практических задач построения информационных систем.