DEVELOPMENT OF OBJECT EDUCATIONAL METHODS COMPLEXES

Опадчий Ю.Ф. ¹, Насонов М.Ю.², Шульгин Д.А.³, Юрьев К.В.⁴

¹Доктор технических наук, ²Аспирант, ³Аспирант, ⁴Аспирант, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»

РАЗРАБОТКА УНИВЕРСАЛЬНОГО УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Аннотация

Современные стандарты образования предполагают разработку электронно-образовательного ресурса для самостоятельного получения знаний и навыков. Рассмотрены этапы проектирования, функционал также проанализирован и обоснован выбор технических средств разработки. Данный электронно-образовательный ресурс позволяет создать курс по необходимой дисциплине, включив в него все доступные ресурсы, что обеспечит сопровождение всех видов занятий по дисциплине. С помощью инструментов, предоставляемых описанным ресурсом есть возможность преобразования учебных материалов к единому формату передачи данных.

Ключевые слова: Учебно-методический комплекс, электронно-образовательные ресурсы, обучение, разработка, учебный курс.

Opadchiy Y.F. ¹, Nasonov M.Y.², Shulgin D.A.³, Yuryev K.V.⁴

¹PhD in Engineering, ²Postgraduate student, ³Postgraduate student, ⁴Postgraduate student, Moscow Aviation Institute (National Research University)

DEVELOPMENT OF OBJECT EDUCATIONAL METHODS COMPLEXES

Abstract

The modern standards of education assume development of an electronic and educational resource for independent knowledge acquisition and skills. Design stages are considered, the functionality is also analyzed and reasonable a choice of technical means of development. This electronic and educational resource allows to create course on necessary discipline, having included in it all available resources that will provide attending of all types of occupations on discipline. By means of the tools provided by the described resource there is a possibility of conversion of training materials to a uniform format of data transfer.

Keywords: Educational and methodical complex, e-learning, education, development, training course.

Развитие информационных технологий и телекоммуникаций привело к кардинальному изменению образовательного процесса, появились новые формы и методы преподавания, это не могло не отразится на новых ФГОС высшего образования. В соответствии с ФГОС упор теперь делается на внеаудиторную самостоятельную работу: самостоятельная работа должна занимать около 70% от всего учебного времени. Решить эту проблему можно внедряя в образовательный процесс современные системы организации информационных технологий (системы управления базами данных, электронные таблицы, семантические сети, экспертные системы, системы гипермедиа и мультимедиа, компьютерные видео телеконференции), используя которые студенты имеют возможность в соответствии с собственными идеями, взглядами и мышлением создавать тематические компьютерные проекты по различным предметам.

Так, для закрепления сформулированных на лекциях теоретических понятийных образов при проведении практических занятий и компьютерного тестировании могут использоваться различного электронно-образовательные ресурсы, включающие в себя мультимедийные тренажеры, лекционный материал, контрольные и курсовые работы. Использование электронно-образовательных ресурсов, как инструментов учебной деятельности, даёт возможность переосмыслить традиционный подход к изучению материала, усилить экспериментальный компонент деятельности студентов и приблизить процесс обучения к реальному процессу познания, основанному на технологии моделирования и вычислительном эксперименте.

Сложившаяся ситуация требует скорейшего развития рынка электронно-образовательных ресурсов и средств дистанционного обучения. Особенно остро стоит проблема отсутствия электронных образовательных ресурсов (ЭОР) по техническим и физико-математическим дисциплинам. Поэтому разработка нового многофункционального ЭОР по электронике и электротехнике является весьма актуальной задачей.

Функционал и особенности ЭОР

Проведя анализ существующих на рынке электронно-образовательных ресурсов было принято решение реализовывать ЭОР базируясь на двух независимых модулях:

• Клиентской части – локальном приложении, которое использует обучающийся
• Серверная часть невидимая пользователю

Основой клиентского приложения является его интерактивная часть, в которую входят следующие модули:

• основной курс (электронный учебник);
• глоссарий (справочник);
• практикум (упражнения, компьютерные модели, тренажёры);
• задачник (типовые задачи и задачи нелинейной электротехники);
• виртуальный лабораторный практикум;
• компьютерная тестовая система;
• вспомогательные программы.

Клиентская часть сама по себе является автономным приложением и может функционировать независимо от серверной части. При наличии доступа в интернет клиентская часть получает возможности обновления содержимого локальных баз содержащих электронные курсы.

Этапы проектирования ЭОР.

Развитие системы образования и акцент на индивидуализацию учебного процесса требуют изменения его организации и, в первую очередь, расширения учебно-методического и информационного обеспечения учебного процесса и курсов вариативной части ООП профилей подготовки студентов. Предметный ЭОР должен базироваться на утверждённой примерной программе базового курса и методической системе обучения, содержать печатный учебник (учебное пособие) и электронное приложение, отличающееся от печатного учебного издания представлением содержания знания в виде логически связанных структурированных дидактических единиц и содержащее все компоненты учебного процесса. Структура и пользовательский интерфейс компонентов курса должны обеспечить эффективную помощь при изучении учебного материала.

Разработка типовой технологии проектирования предметных ЭОР, включает следующие основные этапы: определение проблемы, выработка концепции разработки, построение математических моделей, программная реализация, тестирование и отладка.

Определение проблемы включает в себя распределение ролей для участвующих в данном процессе, определение характеристик решаемых задач, целей и использующихся ресурсов.  На этом этапе определяется состав рабочей группы, при необходимости решаются вопросы дополнительной подготовки: для преподавателей – в области информационных технологий, для программистов – по вопросам, связанным с особенностями представления дидактических материалов конкретной предметной области.

Концептуализация предполагает определение содержания, целей и задач изучения учебной дисциплины, что фиксирует концептуальную основу базы знаний. Преподаватель определяет, какие виды информации будут представлены в предметном ЭОР (тексты, графика, анимация, звуковые и видеофрагменты), какие связи должны будут устанавливаться между его составляющими.

Формализация предполагает анализ дидактических задач, которые должны решаться использованием электронного ресурса, а также поиск и формализацию возможных методов решения на основе модели процесса обучения и совокупных характеристик имеющихся данных и технологий, лежащих в основе ресурса.  На этом этапе изучаются возможные сценарии предоставления студентам необходимых дидактических материалов, принципы оценивания знаний и обратной связи. После чего строятся алгоритмы, по которым будет проходить взаимодействие студентов с ресурсом.

Реализация проекта подразумевает перевод формализованных методов решения дидактических задач в окончательную схему–сценарий действий автоматизированной обучающей системы, использующей информационные ресурсы.

На этапе тестирования студентам предлагаются такие задачи, которые с наибольшей вероятностью подвергнут испытанию работоспособность ресурсов и позволят выявить их возможные слабости.  Наиболее важно проверить сценарии, заложенные в ЭОР, доказав или опровергнув эффективность используемых информационных ресурсов.

Реализация клиентской части ЭОР

Разработка ведется на языке C++ с использованием библиотеки Qt. Применение технологии Qt существенно облегчает разработку данного проекта: Qt является полностью объектно-ориентированным, легко расширяемым и поддерживающим технику компонентного программирования, а также решает проблему кроссплатформенности так как Qt позволяет запускать написанное с его помощью ПО в большинстве современных операционных систем путём простой компиляции программы для каждой ОС без изменения исходного кода.

Для хранения информации на локальном диске используется реляционная база данных SQLite. SQLite не использует парадигму клиент-сервер, то есть движок SQLite не является отдельно работающим процессом, с которым взаимодействует программа, а предоставляет библиотеку, с которой программа компонуется и движок становится составной частью программы. Таким образом, в качестве протокола обмена используются вызовы функций (API) библиотеки SQLite. Такой подход уменьшает накладные расходы, время отклика и упрощает программу. SQLite хранит всю базу данных (включая определения, таблицы, индексы и данные) в единственном стандартном файле на том компьютере, на котором исполняется программа. Сочетание использования фреймворка Qt и базы данных SQLite позволяет добиться высокой скорости и относительной легкости разработки ПО, требуемой производительности, кроссплатформенности и защищенности данных [17].

Пользовательский интерфейс разрабатываемого приложения визуально очень похож на стандартный веб интерфейс, что является большим преимуществом, так как он интуитивно понятен и прост в освоении. Большую часть интерфейса занимает виджет QWebView, выводящий учебную информацию, слева от него находится меню текущего образовательного курса в виде иерархического дерева, сверху находится меню управления, а снизу панель навигации. Интерфейс генерируется в автоматическом режиме после инициализации и чтения базы данных. Использование QWebView обусловлено тем, что он позволяет нам работать с браузерным движком webkit, на котором написан chromium, а соответственно и chrome и многие другие браузеры. Поэтому практически использовав десяток строк кода можно сделать приложение, которое обладает функционалом полноценного браузера включая поддержку JavascriptCore (JavaScript движок). Поддержка JavaScript очень важна, так как она позволяет нам использовать библиотеку mathjax для корректного и быстрого отображения большого количества сложных формул.

Реализация серверной части ЭОР

Разработка серверной части ведется на языке программирования Java с использованием фреймворка Spring и ORM Hibernate. Spring предоставляет возможность для гибкой разработки и добавления новых модулей в случае необходимости, а также разделение на логические компоненты в процессе разработки. Hibernate являет собой API для работы с базой данных, что дает защищенность данных и ускоряет время обработки запросов сервером приложений и базой данных.

В качестве сервера приложений был выбран Tomcat. Он поддерживает все существующие базы данных и упрощает развертку приложения на физическом сервере. Разделение компонентов на сервере позволяет поддерживать актуальные версии выбранных инструментов для разработки.

Для данной системы наиболее всего подходит база данных PostgreSQL. Проведя сравнительный анализ с другой популярной базой данных MySQL можно сказать, что PostgreSQL: соответствует стандартам SQL-92, SQL-98, SQL-2003 (реализованы все его разумные части) и уже работает над SQL-2011. Для сравнения, MySQL не поддерживает даже SQL-92.

• Максимально быстрое удаление и добавление колонок в таблицах любого размера
• Точнее соответствует стандарту ANSI и гораздо строже относится к входным данным
• Возможность писать процедуры практически на любом языке, мощный внутренний язык PL/pgSQL

В связи с этим данное ПО является многофункциональным и может быть использовано для разработок ЭОР по другим предметам.

Рис. 1 - Архитектура программной части ЭОР

Разработываемый программный комплекс имеет широкий функционал и годится для создания на его основе различных ЭОР как технических, так и гуманитарных дисциплин. А так же отвечает всем заявленным требованиям выдвигаемым к современным прикладным программам таким как:

• Защищенность данных
• Возможность работы без доступа в интернет
• Возможность обновления содержимого по интернету
• Кроссплатформенность
• Не требует наличия дополнительного ПО

Литература

1. Беневоленский С.Б., Марченко А.Л., Титов Д.В. Инструментарий для создания учебно-программных курсов. Свид. о регистрации в ОФАП №5616 от 31.01.2006 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200600104 от 02.02.2006 г.
2. Марченко А.Л., Опадчий Ю.Ф. Электротехника и электроника. Учебник: в 2 т. Т. 1: Электротехника.  М.: ИНФРА-М. 2015.  574 с.
3. znanium.com/ Марченко А.Л., Опадчий Ю.Ф. Электротехника и электроника: Электротехника. Электронный образовательный ресурс.
4. Беневоленский С.Б., Марченко А.Л. Программный учебно-методический комплекс по электротехнике ВМPUMKE. Свид. о регистрации в ОФАП №5341 от 28.10.2005 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 502000555 от 31.10.2005 г.
5. Марченко А.Л., Освальд С.В. Лабораторный практикум по электротехнике и электронике в среде Multisim. Учебное пособие для вузов (+ СD).  М.: ДМК Пресс. 2010.  448 с.
6. Жадан И.В., Марченко А.Л. Расчет параметров пассивных четырехполюсников RLCquadro. Свид. о регистрации в ОФАП №5342 от 28.10.2005 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200501553 от 31.10.2005 г.
7. Марков А.В., Марченко А.Л. Расчет магнитной цепи Magn_C. Свид. о регистрации в ОФАП №5344 от 28.10.2005 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200501555 от 31.10.2005 г.
8. Марченко А.Л., Сусленкова С.Е., Федотова И.В. Тренажер МФС для построения векторных диаграмм напряжений и токов. Свид. об отраслевой регистрации электронного ресурса в Институте информатизации образования РАО №00031 от 02.06.2009 г.
9. Марченко А.Л., Иванов А.Г., Воробьев С.С. Тренажер МИВ для анализа трехфазных цепей. Свид. о регистрации электронного ресурса в Институте научной информации и мониторинга РАО №17229 от 28.06.2011.
10. Новиков К.В. Марченко А.Л. Расчет переходных процессов RPP_KM. Свид. о регистрации в ОФАП №5536 от 29.12.2005 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200600023 от 24.01.2006 г.
11. Марченко А.Л., Куракин А.С. Электротехнический калькулятор. Свид. о регистрации в ОФАП №3975 от 27.10.2004 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200401285 от 15.11.2004 г.
12. Дергачев В.В., Коваль М.М., Марченко А.Л. Испытание двигателей постоянного тока. Свид. о регистрации в ОФАП №5534 от 29.12.2005 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200600021 от 24.01.2006 г.
13. Марченко А.Л., Коваль М.М., Рыжков В.М. Испытание асинхронных двигателей. Свид. о регистрации в ОФАП №5343 от 28.10.2005 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200501554 от 31.10.2005 г.
14. Беневоленский С. Б., Марченко А. Л., Освальд С. В. Программный комплекс LabWorks. Свид. о регистрации в ОФАП №5876 от 20.03.2006 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200600397 от 22.03.2006 г.
15. Шлее М. Qt3. Профессиональное программирование на C++.  ISBN 978-5-9775-3346-1. БХВ-Петербург. 2015. 928 с.
16. Мартин Р. Чистый код: создание, анализ и рефакторинг. ISBN: 978-5-459-00858-6. Питер. 2011.  465 с.

References

1. Benevolenskij S.B., Marchenko A.L., Titov D.V. Instrumentarij dlja sozdanija uchebno-programmnyh kursov [Tools for creation of educational and program courses]. Svid. o registracii v OFAP №5616 ot 31.01.2006 g. Nomer gos. registracii v VNTIC FAPO 50200600104 ot 02.02.2006 g. [in Russian]
2. Marchenko A.L., Opadchij Ju.F. Jelektrotehnika i jelektronika [Electrical engineering and electronics]. Uchebnik: v 2 t. T. 1: Jelektrotehnika. : INFRA-M. 2015. 574 s. [in Russian]
3. znanium.com/ Marchenko A.L., Opadchij Ju.F. Jelektrotehnika i jelektronika: Jelektrotehnika. Jelektronnyj obrazovatel'nyj resurs [Electrical equipment and electronics: Electrical engineering. Electronic and educational resource]. [in Russian]
4. Benevolenskij S.B., Marchenko A.L. Programmnyj uchebno-metodicheskij kompleks po jelektrotehnike ВМPUMKE [Program educational and methodical complex on electrical engineering ВМPUMKE]. Svid. o registracii v OFAP №5341 ot 28.10.2005 g. Nomer gos. registracii v VNTIC FAPO 502000555 ot 31.10.2005 g. [in Russian]
5. Marchenko A.L., Osval'd S.V. Laboratornyj praktikum po jelektrotehnike i jelektronike v srede Multisim. Uchebnoe posobie dlja vuzov (+ CD) [Laboratory workshop on electrical engineering and electronics in the environment of a Multisim. Manual for higher education institutions].  M.: DMK Press. 2010.  448 s. [in Russian]
6. Zhadan I.V., Marchenko A.L. Raschet parametrov passivnyh chetyrehpoljusnikov RLCquadro [Calculation of parameters of passive two-port networks RLCquadro]. Svid. o registracii v OFAP №5342 ot 28.10.2005 g. Nomer gos. registracii v VNTIC FAPO 50200501553 ot 31.10.2005 g. [in Russian]
7. Markov A.V., Marchenko A.L. Raschet magnitnoj cepi Magn_C [Calculation of a magnetic chain Magn_C]. Svid. o registracii v OFAP №5344 ot 28.10.2005 g. Nomer gos. registracii v VNTIC FAPO 50200501555 ot 31.10.2005 g. [in Russian]
8. Marchenko A.L., Suslenkova S.E., Fedotova I.V. Trenazher MFS dlja postroenija vektornyh diagramm naprjazhenij i tokov [The exercise machine MFS for creation of vector charts of tension and currents]. Svid. ob otraslevoj registracii jelektronnogo resursa v Institute informatizacii obrazovanija RAO №00031 ot 02.06.2009 g. [in Russian]
9. Marchenko A.L., Ivanov A.G., Vorob'ev S.S. Trenazher MIV dlja analiza trehfaznyh cepej [The exercise machine MIV for the analysis of three-phase chains]. Svid. o registracii jelektronnogo resursa v Institute nauchnoj informacii i monitoringa RAO №17229 ot 28.06.2011. [in Russian]
10. Novikov K.V. Marchenko A.L. Raschet perehodnyh processov RPP_KM [Transient analysis RPP_KM]. Svid. o registracii v OFAP №5536 ot 29.12.2005 g. Nomer gos. registracii v VNTIC FAPO 50200600023 ot 24.01.2006 g. [in Russian]
11. Marchenko A.L., Kurakin A.S. Jelektrotehnicheskij kal'kuljator [Electrotechnical calculator]. Svid. o registracii v OFAP №3975 ot 27.10.2004 g. Nomer gos. Registracii v VNTIC FAPO 50200401285 ot 15.11.2004 g. [in Russian]
12. Dergachev V.V., Koval' M.M., Marchenko A.L. Ispytanie dvigatelej postojannogo toka [Test of engines of a direct current]. Svid. o registracii v OFAP №5534 ot 29.12.2005 g. Nomer gos. registracii v VNTIC FAPO 50200600021 ot 24.01.2006 g. [in Russian]
13. Marchenko A.L., Koval' M.M., Ryzhkov V.M. Ispytanie asinhronnyh dvigatelej [Test of asynchronous engines]. Svid. o registracii v OFAP №5343 ot 28.10.2005 g. Nomer gos. registracii v VNTIC FAPO 50200501554 ot 31.10.2005 g. [in Russian]
14. Benevolenskij S. B., Marchenko A. L., Osval'd S. V. Programmnyj kompleks LabWorks [Program complex LabWorks]. Svid. o registracii v OFAP №5876 ot 20.03.2006 g. Nomer gos. registracii v VNTIC FAPO 50200600397 ot 22.03.2006 g. [in Russian]
15. Shlee M. Qt 5.3. Professional'noe programmirovanie na C++ [Professional programming on C++]. ISBN 978-5-9775-3346-1. BHV-Peterburg. 2015. 928 s. [in Russian]
16. Martin R. Chistyj kod: sozdanie, analiz i refactoring [Clean Code: creation, analysis and refactoring]. ISBN: 978-5-459-00858-6. Piter. 2011. 465 s. [in Russian]