ПРОГРАМНО-МЕТОДИЧНИЙ КОМПЛЕКС ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ КРЕДИТНО-МОДУЛЬНОЇ СИСТ
ЕМИ ОРГАНІЗАЦІЇ НАВЧАЛЬНОГО ПРОЦЕСУ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ
БІЛОЩИЦЬКИЙ Андрій Олександрович
УДК 681.324: 378.1
МЕТОДИ ТА МОДЕЛІ КОМПЛЕКСНОГО ІНФОРМАЦІЙНО-ОСВІТНЬОГО СЕРЕДОВИЩА В УМОВАХ РОЗВИТКУ ВИЩОГО НАВЧАЛЬНОГО ЗАКЛАДУ
Спеціальність 05.13.06 – Інформаційні технології
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 2007
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі основ інформатики Київського національного університету будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор
Лізунов Петро Петрович,
Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, проректор з наукової роботи
Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор
Міхайленко Віктор Мефодійович ,
Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри прикладної математики
кандидат технічних наук, доцент
Данченко Олена Борисівна,
Черкаський державний технологічний університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри інформатики та захисту інформації. |
Захист відбудеться _4_” _жовтня_ 2007 року о 13:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.01 у Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України за адресою: 03680, м. Київ-37, Повітрофлотський пр., 31
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ-37, Повітрофлотський пр., 31
Автореферат розісланий “ 30 ” __серпня__ 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
доктор технічних наук, професор С.В. Цюцюра
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Відповідно до Національної програми “Освіта. Україна ХХІ сторіччя” передбачено забезпечення розвитку освіти в країні на основі нових прогресивних концепцій, запровадження у навчально-виховний процес новітніх інформаційних технологій та науково-методичних досягнень. Одним з напрямків реалізації даної програми є розробка та впровадження у навчальній процес інформаційних освітніх систем, що поєднують учбові, методичні та інформаційні ресурси з використанням сучасних інформаційних і телекомунікаційних технологій. В зв’язку з цим актуальним є аналіз, проектування та розвиток інформаційних освітніх систем, створення моделей та методів їх цілісного осягнення. Значний внесок в окремі аспекти зазначених напрямків внесли вітчизняні та закордонні вчені В.М. Глушков, М.З. Згуровський, М. Кейс, В.М. Левикін, Г. Майер, В.М. Міхайленко, О.А. Павлов, І.В. Сергієнко, В.І. Скурихін, Б. Тальхайм, Д.В. Ходаков та інші.
Загалом, основною специфікою інформаційно-освітніх систем є:
– орієнтація на традиційні форми організації навчального процесу і як наслідок труднощі адаптації існуючих систем до вимог підтримки впровадження кредитно-модульної системи організації навчального процесу;
– реальне використання переважно систем управління базами даних (СУБД) локальної архітектури та складнощі перенесення баз даних в сучасні розподілені клієнт-серверні середовища з використанням корпоративних комп’ютерних мереж;
– відсутність засобів гнучкого налаштування існуючих інформаційних технологій на особливості впровадження і реалізації основних по ожень кредитно-модульної системи організації навчального процесу в конкретних вищих навчальних закладах (ВНЗ);
– відсутність спеціальних засобів інтеграції окремих інструментальних інформаційних технологій (в першу чергу засобів комп’ютерного тестування від зовнішніх виробників), що базуються на різнорідних програмних платформах і використовують різноманітні СУБД, в єдиний програмно-методичний комплекс для автоматизації діяльності ВНЗ.
Враховуючи специфіку інформаційно-освітніх систем та наявність нових реалій їхнього функціонування, існує необхідність створення єдиної розширюваної комплексної інформаційної технології для автоматизації діяльності ВНЗ в умовах впровадження кредитно-модульної системи організації навчального процесу, яка базується на використанні сучасних клієнт-серверних середовищ та існуючих програмних комплексів.
Впровадження інформаційних освітніх систем у вищі навчальні заклади України та узгодження їх з вимогами кредитно-модульної системи організації навчального процесу вимагає підвищення якості функціонування навчальних закладів України. Це робить дану роботу актуальною як в теоретичному, так і практичному аспектах.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках наукових досліджень Київського національного університету будівництва і архітектури, зокрема за темою “Створення теоретичних основ для формування інформаційних технологій дистанційного навчання з будівельної механіки”, зареєстрованою за № 0105U001334, в яких автор брав участь як виконавець.
Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка моделей і методів інтеграції окремих компонентів інформаційних технологій для створення гнучкого комплексного інформаційно-освітнього середовища на єдиній системній основі, орієнтованого на підвищення якості і ефективності навчального процесу в умовах кредитно-модульної системи організації навчального процесу.
Для досягнення поставленої мети визначено і вирішено такі основні задачі дисертаційного дослідження:
1) аналіз предметної області інформаційно-освітнього середовища ВНЗ і обґрунтування постановки задачі дослідження;
2) розробка концептуальної моделі комплексного інформаційно-освітнього середовища ВНЗ для визначення пріоритетних напрямків дослідження;
3) розробка комплексу моделей, які визначають архітектуру і вимоги до окремих видів забезпечення програмно-технічних компонент комплексного інформаційно-освітнього середовища ВНЗ, орієнтованого на підтримку кредитно-модульної системи організації навчального процесу і функціонування в умовах корпоративних комп’ютерних мереж з використанням розподілених клієнт-серверних технологій, а саме:
– створення концептуальної моделі комплексного інформаційно-освітнього середовища ВНЗ;
– розробка абстрактної моделі підсистеми комп’ютерного тестування знань з відкритою архітектурою та формулювання вимог до реалізації її функціональних компонент на основі аналізу і вдосконалення існуючих моделей та методів оцінювання знань;
– створення об’єктно-орієнтованих моделей основних компонент програмного комплексу (об’єктів предметної області та сервісів);
– обґрунтування вибору моделей та методів оцінювання знань для забезпечення максимально ефективного контролю знань;
– вдосконалення алгоритмів динамічної маршрутизації інформаційних потоків в корпоративній комп’ютерній мережі, адаптованій до умов ВНЗ;
4) розробка концептуальної та логічної структур розподілених баз даних навчального закладу з широким використанням метаописів для забезпечення адаптивності інформаційно-освітнього середовища до конкретних умов використання і розвитку;
5) програмна реалізація розроблених моделей і методів організаційного, інформаційного та аналітичного забезпечення навчального процесу в інформаційно-освітніх системах ВНЗ;
6) оцінка ефективності реалізації та впровадження розроблених інформаційних технологій у ВНЗ.
Об’єктом дослідження є інформаційно-освітнє середовище ВНЗ, а також пов’язані з ним процеси обробки і передачі інформації.
Предмет дослідження – методи, моделі і засоби інформаційних технологій в діяльності ВНЗ з урахуванням вимог кредитно-модульної організації навчального процесу та в умовах використання корпоративної комп’ютерної мережі, в тому числі методи і алгоритми автоматизованого контролю знань в процесі навчання.
Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети використовуються методи: системного аналізу – для вивчення предметної області досліджень та виявлення закономірностей в розвитку інформаційних технологій при навчанні і контролі знань; теорії моделювання, системотехніки; теорії графів для опису топологічних структур мереж; статистичних досліджень і порівняльного аналізу даних для опису характеристик стану мереж; теорії нечітких множин для комп’ютерного тестування знань; аналізу ієрархій для оцінки ефективності розробки; теорії ймовірностей і математичної статистики; теорії алгоритмів для розробки алгоритмів та програмних засобів інформаційних технологій; методи оцінки якості засобів діагностики знань; технології об’єктно-орієнтованого моделювання програмних продуктів із використанням уніфікованої мови опису інформаційних систем (UML) та структурного інформаційного моделювання і проектування з використанням діаграм потоків даних (DFD – діаграм).
Наукова новизна одержаних результатів дисертаційної роботи полягає в тому, що вперше розроблено та науково-обґрунтовано підходи, методи та моделі побудови комплексного інформаційно-освітнього середовища ВНЗ як джерела розвитку освітніх технологій в умовах кредитно-модульної системи організації навчального процесу. Зокрема, отримані такі наукові результати:
– вперше запропоновано принципи і методи побудови комплексного інформаційно-освітнього середовища як системи параметризованих (адаптивних) функціональних компонент, що забезпечує розвиток освітніх інформаційних технологій в умовах кредитно-модульної системи організації навчального процесу;
– вперше запропонована абстрактна модель інформаційно-інтегрованої підсистеми комп’ютерного тестування знань з відкритою архітектурою, основними особливостями якої є можливість використання різних методів і засобів комп’ютерного тестування, що забезпечує універсальність і адаптивність технології комп’ютерного тестування;
– на основі запропонованої абстрактної моделі комп’ютерного тестування знань отримали подальший розвиток методи диференційованого аналізу результатів тестування з використанням апарату нечіткої логіки, які дозволяють підвищити об’єктивність комп’ютерного тестування;
– удосконалена концептуальна модель спеціалізованих розподілених баз даних як основи інформаційної інтеграції освітнього середовища, що забезпечує адаптацією до умов впровадження і використання кредитно-модульної системи організації навчального процесу та включення в комплексне інформаційно-освітнє середовище нових функціональних компонент за рахунок широкого використання метаописів, різноманітних класифікаторів і довідників;
– удосконалена концептуальна модель корпоративних комп’ютерних мереж у ВНЗ, які базуються на використанні адаптованих алгоритмів динамічної маршрутизації інформаційних потоків, що дозволяють будувати раціональні схеми обробки інформації в комплексному інформаційно-освітньому середовищі.
Практичне значення одержаних результатів. Практичне використання наукових результатів автора дозволило:
- розробити і впровадити програмно-технічний комплекс “Навігатор-Освіта”;
- на основі сформульованих принципів розвитку корпоративної комп’ютерної мережі та з використанням технології динамічної маршрутизації інформаційних потоків впровадити корпоративну комп’ютерну мережу ВНЗ, яка забезпечує якісний обмін даними між учбовими та управлінськими підрозділами університету, що сприяло покращенню навчального процесу;
- розробити структуру (логічну та фізичні моделі) розподілених баз даних як основи інформаційної інтеграції програмних засобів, що використовуються в навчальному процесі;
- розробити компонентну структурну модель підсистеми організації WEB-доступу до інформаційних ресурсів комплексного інформаційно-освітнього середовища.
Впровадження результатів досліджень, проведених у дисертаційної роботі, здійснено в середовищі корпоративної комп’ютерної мережі Київського національного університету будівництва і архітектури і підтверджено довідкою про використання розробленої системи для підтримки навчального процесу.
Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що виносяться на захист, одержані особисто здобувачем. У наукових працях, виконаних у співавторстві, особисто здобувачеві належить: принципи і методи побудови комплексного інформаційно-освітнього середовища як системи параметризованих (адаптивних) функціональних компонент з відкритою архітектурою; абстрактна модель комплексного інформаційного середовища ВНЗ; абстрактна модель інформаційно-інтегрованої підсистеми комп’ютерного тестування знань з відкритою архітектурою; методи диференційованого аналізу результатів тестування з використанням апарату нечіткої логіки; концептуальна модель комплексного інформаційно-освітнього середовища; структурна модель підсистеми організації WEB-доступу до інформаційних ресурсів комплексного інформаційно-освітнього середовища; вдосконалення алгоритмів динамічної маршрутизації передачі даних з врахуванням адаптації до потреб ВНЗ; концептуальна модель спеціалізованих розподілених баз даних як основи інформаційної інтеграції освітнього середовища з використанням метаописів; формулювання цілей використання комп’ютерних мереж в навчальному процесі та науково-методичній роботі ВНЗ; принципи створення фонду програмних продуктів університету; адаптація принципів побудови корпоративних мереж; концептуальна модель корпоративних комп’ютерних мереж у ВНЗ, які базуються на використанні адаптованих алгоритмів динамічної маршрутизації.
Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались і отримали позитивну оцінку на таких науково-практичних, науково-технічних конференціях і семінарах: ІХ Міжнародній науково-технічній конференції ”Информационная среда вуза”.- Иваново: ИГАСА, 2002; симпозіумах „Сучасні інформаційні технології в науці, виробництві, освіті і управлінні” Хмельницький: ТУП, 2003, 2005 рр.; Х (2003р.), ХІ (2004р.) Всеукраїнських наукових конференціях “Сучасні проблеми прикладної математики та інформатики”. – Львів: ЛНУ; Міжнародній науково-технічній і методичній конференції “Актуальні проблеми математики, механіки та комп’ютерних технологій”, Хмельницький, 2004; Х Міжнародній науково-методичній конференції „Управління якістю підготовки фахівців”. – Одеса, 2005; Міжнародній науково-практичній конференції „Україна – суб’єкт європейського освітнього простору”. – Київ. Європейський університет, 2005; науково-методичній конференції „Кредитно-модульна система організації навчального процесу при підготовці фахівців з напряму БУДІВНИЦТВО”. – Макіївка, 2005; ІІ (2005р.), ІІІ (2006р.) Міжнародних науково-практичних конференціях “Управління проектами у розвитку суспільства” – К.: КНУБА; 63-й (2002р.), 64-й (2003р.), 65-й (2004р.), 66-й (2005р.), 67-й (2006р.), 68-й (2007р.) науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури; науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів – К.: КНУБА, 2006 р.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 19 робіт, з них 5 статей у виданнях, рекомендованих ВАК України, 11 – в працях наукових конференцій та 3 – навчальних посібники з грифом Міністерства освіти і науки України.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел (181 найменування) і додатків. Робота містить 34 рисунки, 11 таблиць, 3 додатки. Загальний обсяг роботи становить 177 сторінок, у тому числі 140 сторінок основного тексту.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі наведена загальна характеристика роботи, яка підкреслює її актуальність, відповідність науковим програмам, наукову новизну та практичне значення, визначено об’єкт та предмет дослідження, сформульовані мета та задачі дослідження.
В першому розділі зроблено аналіз існуючих програмних та технічних засобів інформаційних технологій (ІТ) навчального процесу; виконано огляд існуючих публікацій по створенню ІТ навчального процесу та досліджено основні напрямки розвитку систем комп’ютерного навчання та контролю знань.
Виконано аналіз традиційних підходів до інформатизації навчального процесу, зокрема, створення засобів тестового контролю знань, організації дистанційного навчання, побудови систем підтримки навчального процесу та систем забезпечення повсякденної діяльності навчального закладу.
В розділі також проведено аналіз освітньої діяльності ВНЗ за умов відповідності навчального процесу вимогам кредитно-модульної системи організації навчального процесу. Показано, що відповідність цим вимогам неможлива без інформатизації навчального закладу, при цьому інформатизація навчального закладу не повинна обмежуватись тільки його освітньою та управлінською діяльністю – необхідна комплексна автоматизація і ефективний, надійний та швидкий обмін даними між підрозділами університету.
Другий розділ присвячено розробці методології дослідження, спрямованого на визначення напрямків розширення застосування інформаційних технологій в діяльності ВНЗ та створенню комплексного інформаційно-освітнього середовища ВНЗ (тобто такого, в структурі якого наявні різні інформаційні системи). Інформаційно-освітнє середовище ВНЗ подано сукупністю інформаційних складових, кожна з яких використовується в діяльності підрозділів і працівників ВНЗ (рис. 1), а також інформаційних процедур, які забезпечують формування цих інформаційних складових. Розглянуто функціональну модель комплексного інформаційно-освітнього середовища ВНЗ на верхньому рівні ієрархії як композиції інформаційних середовищ двох основних складових: підсистеми управлінської діяльності ВНЗ і підсистеми управління процесом навчання і контролю знань. Зроблено висновок про необхідність першочергового розвитку підсистеми управління процесом навчання і контролю знань як необхідної передумови швидкого впровадження кредитно-модульної системи організації навчального процесу. Представлено схему наповнення об’єктів комплексного інформаційно-освітнього середовища системи управління навчальним процесом (рис.2), в якій сукупність інформаційних об'єктів подано у вигляді множини , де джерелами наповнення об’єктів комплексного інформаційно-освітнього середовища (КІОС) є множина інших об’єктів та суб’єктів ВНЗ та зовнішнього середовища, які тим чи іншим чином
беруть участь та впливають на навчальні процеси. Під комплексним інформаційно-освітнім середовищем ВНЗ будемо розуміти формальну трійку:
КІОС KIТ,
де K- функціональна область КІОС; I – інформаційний вміст функціональної області КІОС; Т – технологія наповнення інформаційних об’єктів КІОС.
Існує задача вибору оптимальної послідовності наповнення об’єктів КІОС з огляду на їх пріоритетність. Це означає, що повинна виконуватись умова:
,
де pi – пріоритет і-го об’єкту КІОС.
Для вирішення цієї задачі представимо множину об’єктів КІОС у вигляді графу G, множиною вузлів VG={v1…vi-1} якого є об’єкти КІОС, а множиною ребер EG – процеси наповнення інформацією цих об’єктів, причому вага дуги є пріоритетом кінцевого вузлу, що належить цій дузі. Вирішення цієї задачі розбивається на три етапи:
1. Числові коефіцієнти при вузлах є пріоритетами та розраховуються за формулою визначення значень пріоритетів i-тих об’єктів:
,
де: ni – кількість об’єктів, які можна наповнити після наповнення і-го об’єкту; N – загальна кількість об’єктів.
2. Обираємо об'єкт, з якого будемо починати наповнення всіх інших об’єктів КІОС. Нехай а1 – перший з j можливих початкових об’єктів (рис.3 а). Нехай існують к об’єктів (на графі множина вузлів VG= {v1…vk}), наповнення яких можливе при наповненні а1, тобто існує множина ребер EG={e1, e2,…,ek}, а саме ребра e1=a1v1, e2=a1v2,…, eк=a1vк, інцидентних відповідним вузлам множини VG.
3. Для кожного з об’єктів, представлених вузлами vk, існує множина ребер
EkG={ek1, ek2,…ekn}, інцидентних вузлам vk та EGEkG, тобто існує множина з n вузлів VkG={vk1, vk2,…vkn} таких, що також інцидентні ребрам EkG та після наповнення яких можна наповнити vk. Тоді розраховуємо коефіцієнт вагомості початкових вузлів Pj як:
,
де: p0- пріоритет початкового вузла; n1…nk – кількість вузлів, інцидентних множинам ребер E1G…EkG, тобто кількість об’єктів, наповнення яких робить можливим наповнення даними даного об’єкту, представленого вузлом vk; p1…pk – пріоритети вузлів vk.
Підраховуючи цю формулу для кожного з можливих Pj початкових вузлів, наприкінці обираємо Pj=max.
Приймаємо за початковий об'єкт наповнення КІОС об'єкт, який на графі представлений вузлом з коефіцієнтом вагомості початкових вузлів Pj=max. Після цього застосовуємо алгоритм Прима.
Обираємо ребро l1=аb максимальної ваги, що інцидентне початковому вузлу (а), та будуємо дерево Т1 приймаючи VT1={a,b}, ET1={l1}, m=1 (Рис.3 б).
Після цього, серед ребер, що з’єднують вершини цього дерева з вершинами графу G, які не входять в Тm, обираємо ребро lm+1 максимальної ваги. Будуємо дерево Тm+1, приєднуючи до дерева Тm ребро lm+1 разом з його другим вузлом, який не входить до Тm. Робимо цю дію доти, доки виконується умова , тобто доки не будуть наповнені всі об’єкти КІОС.
Результатом виконання даного алгоритму буде дерево Тm (V,E), яке є оптимальною послідовністю наповнення даними всіх об’єктів КІОС за їх пріоритетами.
Розглянута задача класифікації елементів і відносин для побудови структурно-логічної моделі предметної області, яка відбиває динамічні й тимчасові зв'язки, ґрунтується на застосуванні онтологічного підходу, що дозволить визначити елементи (класи, типи, атрибути, функції) компонентів, необхідних для використання в розроблювальному КІОС.
Онтологія предметної області містить поняття, характерні для конкретної предметної області, які відображають істотні властивості, зв'язки й відносини класів об'єктів реального світу, які сприймаються в даній предметній області. Онтологічний контекст визначає онтологічне зв'язування для компонентів. Елементи специфікації компонентів задають визначення понять предметної області й зв'язків між ними.
Для абстрагування будь-якої предметної області первинними і неподільними визнаються категорії "об'єктів" і "відносин" між об'єктами. Формально предметна область РО, як система відносин між об'єктами, може мати вигляд: PO = {So, Rs}, де So – безліч об'єктів РО, Rs – безліч відносин між об'єктами (при аналізі можна обмежитися розглядом бінарних відносин), причому . Приймається, що подібні в певному змісті об'єкти утворять непересічні класи: ; , , – непуста безліч індексів. Міжоб’єктні відносини проявляються при наявності у об'єктів постійних (можна іманентних) властивостей. Безліч таких різних властивостей у предметній області є де - непуста безліч індексів. Закономірним підсумком такого погляду стає висновок, що вихідним матеріалом для абстрактного подання предметної області служать стовпці таблиці "об'єкт-властивість".
За традицією рядки таблиці відповідають об'єктам, які є в розглянутій предметній області, склад властивостей (стовпців таблиці "об'єкт-властивість") відповідає властивостям об'єктів ( атрибути, зв'язки, функції й обмеження).
Якщо текстові негативні значення замінити на "0", а інші значення на "1", то вихідна таблиця перетвориться в матрицю інцидентності "об'єкт-властивості", інформації, що містится в ній, досить для побудови концептуальної моделі предметної області.
У результаті одержуємо матрицю інцидентності розмірністю , , , яка визначає відповідність , де - безліч виявлених класів об'єктів (первинних понять у специфікаціях предметної області), – безліч ознак, що відповідають компонентам (атрибутам), очевидно, що . Таким чином, класифікація втілюється в наявності і у складі , асоціації об'єктів предметної області відбиваються семантикою підмножини .
Розглянуті форми абстрагування лежать в основі реляційного підходу в моделюванні баз даних. Онтологічний підхід додатково актуалізує абстракцію узагальнення, у якій схожі класи зв'язуються з батьківським об'єктом більш високого рівня. У цьому випадку онтологія предметної області представляється як модель, що описує структуру класів ( як реальних, визначених у моделі предметної області, так і абстрактних, отриманих шляхом узагальнення специфікацій реальних класів).
Ефективність онтологічного аналізу полягає в більш повному включенні наявних даних про предметну область і формально-алгоритмічний характер перетворення концептуальної об’єктно-прикметної моделі в онтологію предметної області.
Досліджені сучасні методи і засоби інформаційних технологій в навчанні і контролі знань. Створення нових технологій і удосконалення методів навчання вимагає розробки нових методів і технічних засобів програмованого контролю знань, а перехід на багаторівневу систему підготовки фахівців вимагає удосконалення системи оцінок знань і умінь. Таким чином, для реалізації основних системних принципів (системної єдності, розвитку, сумісності, стандартизації) підсистема комп’ютерного тестування (ПКТ) повинна задовольняти наступним основним вимогам:
- мати у своєму складі вбудовані уніфіковані засоби створення (конструювання) та інтерпретації тестів, які забезпечують реєстрацію та зберігання описів тестів і результатів контролю знань з використанням єдиних форматів представлення в розподілених базах даних;
- включати засоби інтегральної оцінки успішності студентів та оцінки за вибраними критеріями якості окремих тестових завдань з метою вдосконалення останніх;
- мати відкриту архітектуру, яка дозволяє автоматично реєструвати в базі даних та аналізувати результати комп’ютерного тестування з використанням вже існуючих програмних засобів від сторонніх виробників.
Запропоновану абстрактну модель ПКТ, яка зображена на рис.4, можна формально представити у вигляді системи обробки результатів тестування: ПКТ={M,S,L}, де М – сукупність вхідних, вихідних і проміжних моделей представлення структурованих даних комп’ютерних тестів і результатів тестування; S – сукупність програмних процесорів (сервісів), які забезпечують створення, обробку і перетворення моделей; L – множина формальних мов взаємодії користувачів з системою. До основних (вбудованих) компонентів абстрактної моделі належать: М0, М1, М2, М3, М4 – моделі (конструктора, внутрішня, інтерпретатора, результатів тестування, оцінки якості тестових завдань) з методами f0 0 , f1 1 , f21 , f12 , fn2 , f13 , f23 , f14 , fn4 ; LD0 , LS0 , LD2 – мови (діалогів конструктора, символьна, інтерпретатора). Перетворення моделей виконуються сервісами високого рівня S0S, S0D, S01, S12, S2D , S14 , S24 , S34 , S53 . Зовнішні засоби комп’ютерного тестування представлені в абстрактній моделі наступними компонентами: M5 N , M0 N , M2 N – множини моделей (результатів контролю, конструкторів, інтерпретаторів тестів); LD0N, LS0N, LD2N – множини мов (діалогових і символьних конструкторів, діалогових інтерпретаторів тестів); S0NS, SND, S2ND, S2N5D – сервіси, що перетворюють дані.
Запропоновані методи оцінки надійності, якості, валідності тестів реалізовані модулем експертної оцінки, що використовує накопичені в базі даних результати тестування. Корегування тестів після такої оцінки дозволять поліпшити якість використовуваних засобів діагностики даних.
Представлена абстрактна модель визначення істинності відповіді з урахуванням „жорсткої” та „м’якої” оцінки, що реалізовано в системі. Результати тестування зберігаються в базі даних. На їх основі визначаються рейтинги студентів по всіх дисциплінах (або одній дисципліні), які викладалися протягом семестру або всього періоду навчання, максимальне і мінімальне значення рейтингів в балах, за якими можна визначити ступінь успішності засвоєння матеріалу і поняття "зараховано/не зараховано" по дисципліні.
Очевидна трудомісткість процесу обраховування рейтингів виключається завдяки використанню інструментальних засобів ІТ, які запропоновані в роботі. Процесор модульного контролю дозволяє визначати підсумкові рейтинги декількох типів (по дисципліні, по групі, по спеціальності).
Програмні засоби забезпечують генерацію твердих копій відомостей модульного і семестрового контролю в різних формах і режимах: друк чистого бланку відомості; друк напівзаповненого бланку відомості з прізвищами студентів і назвою дисципліни; фіксація викладачем результатів контролю в базі даних, друкування і підпис повністю згенерованої відомості (автоматичний режим формування документів); фіксація результатів тестового контролю в базі даних, друкування і підпис повністю згенерованої відомості (автоматичний режим формування документів за результатами тестування).
Третій розділ дисертаційної роботи присвячений розробці комплексного інформаційно-освітнього середовища для підтримки кредитно-модульної системи і засобів комп’ютерного контролю знань та навчання.
Розроблені в другому розділі наукові основи комплексного інформаційно-освітнього середовища ВНЗ значною мірою обумовили вимоги до функціональних і технічних характеристик системи та особливості її програмної реалізації (об’єктно-орієнтовані та структурна моделі і алгоритми, отримані в процесі концептуального, логічного і фізичного моделювання).
На рис. 5 наведено концептуальну модель комплексного інформаційно-освітного середовища, що має багаторівневу розподілену архітектуру, основними компонентами якої є сервери віддалених баз даних, профільні автоматизовані робочі місця викладачів, студентів, працівників деканатів і кафедр (клієнти), WEB-сервери і WEB-додатки, а допоміжними – програмні сервіси для конструювання та інтерпретації комп’ютерних тестів, регламентації доступу і виконання інших спеціальних функцій.
Сформульовані вимоги до реалізації основних профільних типів автоматизованих робочих місць у КІОС за умови, що будь-який користувач може працювати на будь-якому клієнтському комп’ютері, приєднаному до мережі, у рамках свого статусу користувача і відповідно до прав доступу. Для реалізації структурної моделі і методів впровадження корпоративної комп’ютерної мережі ВНЗ запропоновано створити єдину інформаційну мережу навчального закладу, яка повинна виконувати наступні функції:
- створення єдиного інформаційно-освітнього простору, який здатний охопити та передати для всіх користувачів інформацію, що створена в різний час і за допомогою різного програмного забезпечення;
- підвищення достовірності інформації та надійності її зберігання;
- забезпечення ефективної системи накопичення, зберігання та пошуку різноманітної інформації за допомогою створення розподіленої бази даних, що зберігається на окремих виділених серверах;
- обробку документів і побудову на базі діючої системи аналізу, прогнозування та оцінки ситуації з метою ухвалення оптимального рішення, створення глобальних звітів;
- забезпечення прозорого доступу до інформації авторизованому користувачеві відповідно до його прав та привілеїв.
Об'єктивна оцінка наявності тих характеристик, що забезпечують повний обсяг даних по зазначених елементах освітнього процесу, дозволяє сформувати набір класів для реалізації автоматизованої системи ВНЗ. Набір програмних класів відображає структуру ВНЗ, але з урахуванням специфіки впровадження нових напрямків розвитку системи освіти, а саме, у напрямку впровадження кредитно-модульної системи і рейтингових оцінок, а також основну схему взаємозалежності представлених класів.
Для вирішення задачі побудови КІОС у ВНЗ, за умови використання існуючої корпоративної мережі і з урахуванням забезпечення максимальної швидкості обробки запитів до баз даних на будь-яких вузлах мережі, необхідна розробка розподіленої бази даних.
Для ефективного використання локальних, корпоративних і глобальних комп’ютерних мереж, якими володіє будь-який вищий навчальний заклад, з огляду на різний ступінь оснащеності підрозділів комп’ютерною технікою і можливості інформаційної інтеграції вже існуючих і створюваних програмних компонентів на основі розподіленої моделі взаємодії між ними, пропонується наступна структурна модель бази даних – на метарівні вона складається з баз даних (БД) окремих факультетів “Факультет” та загальноуніверситетської довідкової бази даних “Університет”, між якими забезпечується інформаційно-логічний зв’язок шляхом механізмів реалізації запитів та посилань. Віддалені бази даних “Факультет” (створені окремо для кожного факультету) та одна база “Університет”, які відрізняються за змістом і призначенням, розміщуються на вузлах комп’ютерної мережі. В якості реляційного сховища інформації віддалених баз даних використовується інструментальні засоби Firebird – безкоштовний продукт в відкритих кодах.
Вказаний розподіл даних між базою “Університет” і базами окремих факультетів дозволяє суттєво знизити навантаження на мережу і забезпечити високий рівень захисту інформації від несанкціонованого доступу, а також спрощує навігацію по базах даних в клієнтських застосуваннях, забезпечуючи реєстрацію в базах даних користувачів різних категорій (адміністратор, працівник деканату, викладач, студент, гість) з чітко регламентованими правами доступу до окремих об’єктів та масивів інформації.
Організація інформаційної взаємодії всіх компонентів (інформаційна інтеграція) здійснюється через таблиці віддалених баз даних, а адаптивність програмних засобів забезпечується параметричним налагодженням окремих компонентів до умов використання (шкали рейтингових оцінок, поділ навчального року на семестри чи тетраместри, інші суттєві особливості реалізації кредитно-модульної системи на основі метаописів даних і компонентів).
Використання передових програмних технологій у розробці системи і сучасний рівень розвитку комунікацій дозволяють забезпечити оперативний доступ до даних системи "“Навігатор-Освіта”" по мережі Internet або корпоративній мережі ВНЗ.
При забезпеченні WEB-доступу до існуючої БД можливий ряд шляхів – комплексів технологічних і організаційних рішень. Практика використання WEB-технологій для доступу до існуючої БД надає широкий спектр технологічних рішень, по різному зв'язаних між собою. Вибір конкретних рішень при забезпеченні доступу залежить від специфіки конкретної СУБД і ряду інших факторів, як то: наявність фахівців, здатних з мінімальними витратами освоїти визначену галузь технологічних рішень; існування інших БД, WEB-доступ до яких повинний здійснюватися з мінімальними додатковими витратами і т.і.
Для зниження вартості розробленої автоматизованої системи доступу до інформації в базах даних для Internet-користувачів розроблений власний WEB-сервер зовнішнього доступу. Завдання WEB-сервера полягає в адаптації отриманих даних під тип серверного додатку і відправленні користувачеві підготовленої додатком відповіді. Ця технологія також використовується при виконанні віддаленими клієнтами запитів на одержання довідкової інформації про дані, що мають місце в БД розглянутої системи. Для цього запропоновано "конструктор запитів", що дозволяє конструювати різні запити до бази даних, вибираючи наявні об’єкти, потрібні для аналізу, і задаючи параметри вибору на основі властивих їм атрибутів.
Вхідна діалогова мова "конструктора запитів" дозволяє задавати параметри настроювання і формулювати запити до баз даних університету і віддалених баз факультетів на рівні користувальницьких понять об'єктів баз даних, не вимагаючи для цього спеціальних знань, що дозволить працювати із системою користувачам з будь-яким рівнем підготовки.
В розділі наведено дослідження ефективності впровадження розробленого програмного комплексу за допомогою методики розрахунку єдиного узагальненого критерію ефективності і визначення критерію якості систем як відношення ефективності до витрат.
Для вирішення таких багатокритеріальних задач, як оцінка нечітких моделей складних систем, де потрібна формалізація якісних значень фізичних величин на кількісних шкалах, особливо ефективним є метод аналізу ієрархій. За допомогою цього методу обробляється різнорідна за якостю вхідна інформація, у цілому підвищуючи вірогідність адекватного опису поведінки об'єкта, іншими словами, відбиває на виході сумарний ступінь розмитості, неповноти і неточності вхідних даних, пропонує єдине для даної конкретної ситуації рішення. Порівняльні варіанти рішень за оцінкою ефективності методів поліпшення організації навчального процесу розглянуто за методом аналізу ієрархій.
В четвертому розділі, виходячи з результатів отриманих автором, розроблена структурна модель корпоративної комп’ютерної мережі ВНЗ. Визначено, що основним завданням впровадження корпоративної мережі у контексті кредитно-модульної системи є модернізація існуючої мережі та розширення її потужностей, ефективності, безпеки, надійності та сфери охоплення.
Значну увагу в цьому розділі приділено реальному стану мережевого обладнання у ВНЗ на прикладі Київського національного університету будівництва і архітектури (КНУБА), наведена структурна схема ядра корпоративної мережі КНУБА (рис.6), вказано цілі функціонування корпоративної мережі навчального закладу. Запропоновані заходи для поліпшення функціональності та ефективності мережі. Зокрема, з метою підвищення надійності і безпеки роботи, було реорганізувано структуру мережі з використанням змішаної вузлово-ієрархічної структури з можливістю існування альтернативних маршрутів, використання як вершини ієрархічної структури кожного вузла.
Така структура дозволила організувати на серверах різні служби контролю над даними, що передаються, ведення статистики, запобігання дублювання або перехоплення IP-адрес за допомогою контролю MAC-адрес пакетів даних. Зв‘язок між вузлами мережі здійснюється за допомогою оптоволоконного кабелю зі швидкістю 1Гбіт/сек. Використання вузлової схеми в оптоволоконній мережі університету дозволило розвантажити цей канал і використовувати його на максимальній швидкості в критичних ситуаціях (наприклад, при передачі великої кількості даних за малий проміжок часу).
Зроблений висновок, що використання протоколів динамічної маршрутизації інформаційних потоків дозволило зробити ефективним масштабування корпоративної мережі КНУБА. Додавання нового сервера або нового вузла в мережу буде полягати в настроюванні підтримки кожного з перерахованих протоколів маршрутизації.
ВИСНОВКИ
В дисертаційній роботі вирішено задачу створення моделей та методів побудови комплексного інформаційно-освітнього середовища ВНЗ. Обраний напрямок дослідження відповідає загальним тенденціям в сфері освіти нашої країни.
Основними результатами дисертаційної роботи є:
1. Проведено аналіз існуючих підходів до ІТ в навчальному процесі та зроблено висновок про недостатній розвиток принципів, моделей і методів розробки та впровадження у діяльність ВНЗ комплексних систем, які орієнтовані на інтеграцію різноманітних функціональних компонент в умовах розвитку ВНЗ (зокрема, впровадження кредитно-модульної організації навчального процесу).
2. Розроблено модель комплексного інформаційно-освітнього середовища ВНЗ на верхньому рівні ієрархії як композицію двох основних підсистем: підсистеми управлінської діяльності ВНЗ і підсистеми керування процесом навчання і контролю знань. Зроблено висновок про необхідність першочергового розвитку підсистеми керування процесом навчання і контролю знань як необхідної передумови швидкого впровадження кредитно-модульної системи організації навчального процесу.
3. Запропоновано концептуальну модель комплексного інформаційно-освітнього середовища ВНЗ, для реалізації якої розроблена відкрита архітектура програмних засобів, що базується на використанні класичного об'єктно-орієнтованого шаблону проектування „Model view separation” і передбачає взаємодію з базою даних.
4. Запропоновані об’єктно-орієнтовані моделі і методи диференційованого аналізу результатів тестів (оцінки надійності, валідності), які реалізовані блоком експертної оцінки, що використовує накопичені в базі даних результати тестування, та розроблено алгоритм визначення істинності відповіді з урахуванням „жорсткої” та „м’якої” (на основі нечіткої логіки) схем обчислень оцінки.
5. Розроблено концептуальну, логічну та фізичні структури розподіленої бази даних ВНЗ, яка на метарівні складається з баз даних окремих факультетів та загальноуніверситетської довідкової бази даних, між якими забезпечується інформаційно-логічний зв’язок шляхом механізмів реалізації запитів та посилань.
6. Розроблено структурну модель підсистеми організації WEB-доступу до інформаційних ресурсів програмного комплексу, яка включає конструктор запитів, орієнтований на користувача з початковим рівнем знань і вмінь у сфері практичного використання інформаційних технологій.
7. Розроблено концептуальну модель корпоративної комп’ютерної мережі ВНЗ яка забезпечує функціонування КІОС. Структура корпоративної комп’ютерної мережі, що відповідає цій моделі, дозволила організувати на серверах різні служби контролю над переданими даними, ведення статистики, запобігання дублювання або перехоплення IP-адрес за допомогою контролю MAC-адрес пакетів даних.
8. Розроблені моделі, методи і алгоритми покладені в основу інформаційної системи “Навігатор-Освіта”, впровадженої з 2004 року у Київському національному університеті будівництва і архітектури.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Білощицький А.О., Лізунов П.П., Макарчук О.О. Использование сети Internet в деятельности технического университета // Збірник наукових праць № 26. Частина ІІ Національної академії Прикордонніх військ України ім. Богдана Хмельницького – Хмельницький. – 2004. – С. 146–147.
Автором сформульовані цілі та задачі розвитку інформаційних технологій і використання мережі Інтернет в діяльності технічного університету.
2. Білощицький А.О., Лізунов П.П. Використання корпоративної комп’ютерної мережі в діяльності вищого навчального закладі // Вісник Львівського університету. – Львів – 2004. – № 8. – С. 182–188.
Автором розроблена структурна схема ядра корпоративної комп’ютерної мережі, сформульовані цілі та задачі створення фонду програмного забезпечення.
3. Білощицький А.О., Демченко В.В., Лізунов П.П. Розробка та впровадження інформаційно-інтегрованих програмних засобів для забезпечення кредитно-модульної організації навчального процесу на базі корпоративної комп’ютерної мережі // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. – 2006. – № 4. – С. 194–199.
Автору належить концептуальна модель комплексного інформаційно-освітнього середовища, що орієнтується на підтримку кредитно-модульної організації навчального процесу, абстрактна модель комплексного інформаційного середовища ВНЗ, а також структурна схема збереження інформації в корпоративних комп’ютерних мережах.
4. Білощицький А.О., Демченко В.В. Розробка інтегрованих інформаційних засобів для забезпечення впровадження кредитно-модульної системи в сфері навчання // Східно-Європейський журнал передових технологій. Українська державна академія залізничного транспорту. Технологічний центр. – Харків. – 2007. С. 20–28.
Автору належить концептуальна модель інтегрованої системи тестування знань і реєстрації успішності студентів з урахуванням кредитно-модульної організації навчального процесу, абстрактна модель інформаційно-інтегрованої підсистеми комп’ютерного тестування знань з відкритою архітектурою.
5. Лізунов П.П., Білощицький А.О. Моделі та засоби формування комплексного інформаційно-освітнього середовища навчального закладу // Системи обробки інформації. – Х.: ХУ ПС, 2007. – Вип. 5(63). – С. 2-7.
Автору належать модель, принципи і методи побудови комплексного інформаційно-освітнього середовища як системи параметризованих (адаптивних) функціональних компонент з відкритою архітектурою, запропонована методика наповнення об’єктів комплексного інформаційно-освітнього середовища, сформульовані вимоги до інформаційного середовища ВНЗ.
6. Задоров В.Б., Лізунов П.П., Щербина О.А., Білощицький А.О., Макарчук О.О., Использование информационных технологий в управлении техническим вузом. // Матеріали ІХ Международной научно-технической конференции ”Информационная среда вуза”. – Иваново: ИГАСА, 2002. – С. 14–15.
Автором сформульовані цілі та задачі в науково-технічній діяльності ВНЗ на яких базується концепція розвитку та впровадження інформаційних технологій.
7. Білощицький А.О., Задоров В.Б., Лізунов П.П., Щербина О.А., Макарчук О.О. Проектування комп’ютерних мереж з розподіленими базами даних // Матеріали 63 науково-практичної конференції Київського національного університету будівництва і архітектури. – К.: КНУБА, 2002. – С. 4–5.
Автором сформульовані цілі використання комп’ютерних мереж в навчальному процесі та науково-методичній роботі ВНЗ, вимоги до комп’ютерних мереж з розподіленими базами даних.
8. Білощицький А.О., Лізунов П.П., Макарчук О.О. Створення фонду програмних продуктів КНУБА // Матеріали 64 науково-практичної конференції Київського національного університету будівництва і архітектури. – К.: КНУБА, 2003. – С. 4–6.
Автору належать вимоги та принципи створення фонду програмних продуктів.
9. Лізунов П.П., Білощицький А.О. Використання корпоративної комп’ютерної мережі для впровадження кредитно-модульної системи організації навчального процесу // Матеріали одинадцятої Всеукраїнської наукової конференції “Сучасні проблеми прикладної математики та інформатики” ЛНУ. – Львів: – 2004. – С. 87
Автору належить адаптація принципів побудови корпоративних мереж до вимог кредитно-модульної системи організації навчального процесу.
10. Білощицький А.О., Лізунов П.П. Використання корпоративної комп’ютерної мережі КНУБА // Матеріалі 65 науково-практичної конференції Київського національного університету будівництва і архітектури. – К.: КНУБА, 2004. – С. 5–7.
Автору належить вдосконалення алгоритмів динамічної маршрутизації передачі даних з врахуванням адаптації до потреб ВНЗ.
11. Білощицький А.О., Лізунов П.П. Використання корпоративної комп’ютерної мережі КНУБА для забезпечення кредитно-модульної організації навчального
