Разработка алгоритма и программы автоматизированной обучающей системы по дисциплине "Компьютерная графика"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

1.1 Анализ существующих АОС и требований к ним

1.2 Анализ дисциплины «Компьютерная графика» и постановка задачи создания АОС

Выводы

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ, АЛГОРИТМА И ПРОГРАММЫ АОС

2.1 Разработка структуры и функциональной схемы АОС

2.2 Применение метода оценки знаний в АОС

2.3 Разработка алгоритма АОС

2.4 Разработка программы АОС

2.4.1 Выбор и обоснование языка программирования

2.4.2 Описание процедур и функций, используемых в АОС

Выводы

3. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАЗРАБОТКИ АОС. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ

3.1 Оценка эффективности функционирования АОС

3.2 Экономическая оценка разработки АОС

3.3 Разработка программной документации

3.3.1 Руководство оператору

3.3.2 Руководство программисту

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список используемой литературы

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Классификация АОС

Приложение 2. Листинг программы

ВВЕДЕНИЕ

Стремительный рост объема и сложности изучаемого материала, необходимости его быстрого обновления при одновременном увеличении контингента обучаемых привели к тому, что, по мнению многих ученых, традиционная система образования стала недостаточно эффективной, т.к. принципы, лежащие в ее основе, в условиях массового образования не удается реализовать.

Повышение эффективности учебного процесса достигается за счет внедрения таких методов и средств образования, которые позволяют стимулировать в процессе образования самостоятельность, индивидуализацию и интенсификацию образования, а также интерес к образованию и развитие творческих способностей человека. Можно достичь этого эффекта, если использовать в процессе образования широкие возможности электронно-вычислительных машин (ЭВМ) по обработке информации [1].

Одним из наиболее эффективных путей устранения противоречий между возрастающим объемом информации и сохранением сроков подготовки высококвалифицированных специалистов является создание и применения автоматизированных обучающих систем (АОС) на базе ЭВМ различного назначения. АОС в настоящее время представляет собой наиболее развитую форму технических средств учебной деятельности.

Назначение любой обучающей системы заключается в том, чтобы научить, обучаемого приемам и навыкам работы с реальным изделием или повысить его знания в какой - либо предметной области.

Анализ имеющихся в научно-технической литературе данных показывает, что более качественная АОС получается, путем ее построения, по следующим критериям - наилучшее представление работы и особенностей реального устройства и максимально удобный обмен информацией между АОС и обучаемым. Это позволит более качественно реализовать функциональное назначение обучающей программы, так как обучаемый будет обучаться в условиях, максимально приближённых к реальным по всем параметрам.

Как показывают практические исследования, применение АОС позволяет повысить качество подготовки военных инженеров за счет индивидуализации образования; дает возможности управления познавательным процессом по гибкой, адаптирующейся к характеристикам обучаемых в программе. Это позволяет освободить преподавателя от ряда трудоемких учебных операций нетворческого типа, возможность унификации учебных курсов на уровне лучших образов, применение прогрессивных форм самостоятельной работы.

Таким образом, можно отметить положительные стороны использования АОС, выражающиеся в некотором сокращении общего времени обучения и повышении его качества за счет:

- создания условий для самостоятельной учебной работы обучаемого с возможностью выбора индивидуального темпа обучения и уровня помощи;

- использования в учебных целях вычислительных и моделирующих особенностей ЭВМ.

Кроме того, создание на базе ЭВМ систем обучающего, тренирующего, контролирующего типа способствует не только повышению уровня квалификации военных специалистов, но и позволяет глубже внедрять современные средства вычислительной техники в военные сферы деятельности, что является необходимым условием для повышения боеспособности всех Вооруженных Сил. Вследствие этого увеличилась потребность в автоматизированных обучающих системах. Было создано огромное количество таких систем: Гончаров А.А. разработал АОС для решения задач линейного программирования, Кондрашов Ю.В. создал обучающую систему по дисциплине «Вероятностные методы исследования систем военного назначения». Основными недостатками данных систем являются:

- большое сходство с электронным учебником;

- низкая защищенность от взлома и порчи данных;

- недостаточная функциональность;

- невозможность ведения учета успеваемости;

- отсутствие функции редактирования контрольных вопросов.

Но при этом они отличаются простотой усвоения, не требуют специальных навыков и требуют сравнительно мало времени и ресурсов на разработку.

В связи с повсеместным применением персональных ЭВМ АОС становятся еще более необходимыми, более удобными и простыми в использовании.

Поэтому целью дипломной работы является "Разработка алгоритма и программы автоматизированной обучающей системы по дисциплине «Компьютерная графика»".

Пояснительная записка состоит из 3 разделов.

В первом разделе анализируются существующие АОС и требования к ним. Рассматривается классификация автоматизированных обучаемых систем. Проводится анализ дисциплины «Компьютерная графика» и ставится задача на создание АОС.

Во втором разделе разрабатываются структура и функциональная схема АОС, рассматриваются методы оценки знаний и его применение в АОС. На основе анализа существующих АОС и требований к ним разрабатывается алгоритм автоматизированной обучающей системы и производится выбор языка программирования.

В третьем разделе дается оценка эффективности функционирования, экономическая оценка разработки АОС и разработка программной документации (руководство оператору и программисту).

1.АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

1.1 Анализ существующих АОС и требований к ним

Классификационные признаки автоматизированных обучающих систем во многом определяются их областью применения. В настоящее время создано и функционирует большое количество АОС. Все они используются с одной главной целью - повысить эффективность процесса обучения с применением средств вычислительной техники.

Но не все одинаково применимы для конкретных условий учебного процесса. Это во многом определяется имеющимися в наличии средствами вычислительной техники, режимом работы, необходимостью обучения группы или для индивидуального обучения одного пользователя и многими другими факторами.

Для систематизации существующих АОС используют ряд признаков. Среди них выделяют наиболее важные. В настоящее время АОС классифицируются [1](приложение 1):

- по функциональному признаку;

- по назначению;

- по режиму работы;

- по структуре технического обеспечения;

- по особенностям реализации;

- по сложности программного обеспечения.

По функциональному признаку можно выделить информационно-обучающие, контролирующие и обучающее-контролирующие автоматизированные системы. Последние реализуют не только функции контроля и предъявления информации, но и управления познавательной деятельностью обучаемых. Они наиболее полно используют их индивидуальные особенности.

По назначению в учебном процессе выделяют системы для обучения знаниям, умениям и навыкам. В классе обучающих систем можно выделить системы тренирующего типа, управляющие в диалоговом режиме деятельностью обучаемого при решении определенного класса задач. Эти системы получили еще наименование обучающе-направляющих. Их использование имеет большое значение в учебном процессе военной направленности. На их основе создаются тренажеры для обучения умениям и навыкам в эксплуатации различных видов боевой техники.

По режиму работы автоматизированных систем выделяют:

- диалоговые системы, работающие в режиме реального времени;

- системы, работающие в режиме пакетной обработки;

- системы, функционирующие в режиме запрос-ответ.

При построении обучающей системы целесообразно применять диалоговый режим работы, в котором система наиболее гибко реагирует на познавательную деятельность обучаемых. В таких системах пользователь, оперируя средствами диалога или фразами языка обучающего курса, может направлять обучение по своему усмотрению, а также выбирать для себя необходимые в данный момент порции учебного материала. В них хорошо отлажен механизм "пользователь-машина". АОС, работающие в режиме запрос-ответ имеют тенденцию развития в сторону экспертных систем. Здесь обучающая система, обладая обширной базой знаний, предоставляет пользователю только интересующую его информацию. В таких системах важен механизм накапливания знаний или самообучающий механизм. Направление развития этих систем обуславливается в настоящее время большими разработками в области искусственного интеллекта, в частности, в сфере создания экспертных систем. Системы, работающие в режиме пакетной обработки, главным образом находят применение в демонстрационных программах. В них главным является доведение необходимой информации до пользователя, исключив его индивидуальные особенности и опуская вопрос контроля обучения.

По структуре технического обеспечения можно выделить:

- системы с одним процессором и группой непосредственно связанных терминалов;

- системы мультипроцессорные, обслуживающие одну группу терминалов;

- системы сетевого типа;

- системы на персональных ЭВМ.

Среди них можно выделить АОС, используемые на персональных ЭВМ. Это обуславливается многими причинами, главная из которых массовое использование таких вычислительных машин во всех сферах нашей жизни, в том числе в учебном процессе. АОС, базирующиеся на микро-ЭВМ характеризуются гибким интерфейсом, большой наглядностью, доступностью, возможностью использования в сети и другими важными показателями. Их использование обуславливается также большим многообразием программного продукта для персональных ЭВМ и необходимостью его освоения.

По особенностям реализации можно выделить:

- аппаратные системы, использующие специализированное оборудование;

- программно-аппаратные системы, использующие для реализации учебной программы ЭВМ и специализированные средства;

- программные системы, использующие ЭВМ (микро-ЭВМ) и стандартное терминальное оборудование.

По сложности программного обеспечения различают однопрограммные и мультипрограммные системы.

Особенностью АОС является то, что их программное обеспечение включает кроме системных средств, средства обеспечения учебного процесса, в том числе библиотеку учебных курсов, прикладных программ и аппарат их вызова.

Учебные программы, используемые в автоматизированных обучающих системах на базе ЭВМ классифицируются, в зависимости от их назначения, характера учебных занятий, метода анализа ответа обучаемого, способности приспосабливаться к обучаемому.

В зависимости от назначения программы могут быть:

- для индивидуального обучения, т.е. для обучения только одного ученика (например, в системах тренажерного типа);

- для группового обучения, т.е. для управления обучением группы учащихся. В зависимости от характера учебного занятия можно выделить:

- обучающие программы, в процессе работы которых обучаемые получают новый учебный материал в последовательности, определяемой структурой программы и результатами работы обучаемого;

- репетирующие, направленные на закрепление определенных знаний или навыков обучаемого;

- контролирующие, обеспечивающие проверку уровня знаний, умений или навыков и оценивающие его.

В структуру обучающих программ входят: учебные сведения (информация), средства контроля усвоения учебных сведений, средства управления познавательной деятельностью обучаемых.

Элементами контролирующей программы являются: контрольное задание, средства предварительной обработки ответа, средства синтаксического и семантического контроля, средства диагностики причин ошибок, средства принятия решений [2].

На основе проведенного анализа можно выделить следующие функции, которые должна реализовывать АОС:

- управление учебной деятельностью;

- хранение и выдача учебной информации;

- моделирование лабораторных экспериментов, явлений, ситуаций, закономерностей и т.д.;

- анализ сообщений и ответов обучаемых;

- регистрация, хранение и обработка результатов учебной деятельности обучаемых;

При создании АОС на ПЭВМ большая часть программных модулей составляется на языках высокого уровня (ЯВУ), имеется несколько вариантов организации их взаимодействия, основанных как на свойствах ЯВУ, так и на особенностях операционных систем. При проектировании большой прикладной системы с самого начала необходимо решить несколько принципиальных вопросов, касающихся общей структуры системы и способа взаимодействия отдельных компонентов. Должны быть определены следующие характеристики:

1. Состав текста программ, который может представлять собой:

- единый текст на ЯВУ;

- отдельные текстовые модули на ЯВУ, которые составляются независимо и, возможно, разными людьми.

2. Структура исполняемой программы, которая может представлять собой:

- единый модуль, полностью загружаемый в оперативную память при запуске системы;

- несколько сегментов загружаемых в оперативную память при запуске системы;

- резидентную часть, загружаемую в оперативную память в начале сеанса, и одну или несколько нерезидентных частей, загружаемых в оперативную память по мере необходимости.

3. Способ хранения данных, с которым работает система.

- все данные расположены в одном файле;

- данные распределены по нескольким файлам.

Различные сочетания указанных характеристик приводят к построению прикладных систем, которые могут отличаться очень сильно. Состав текста программ влияет на способ и качество разработки. Структура исполняемой программы оказывает критическое взаимодействие на оперативные характеристики системы - объем требуемой памяти и быстродействие. Способ хранения данных, с одной стороны, влияет на быстродействие при доступе к данным, с другой стороны - на характер использования и экономию внешней памяти [3].

В результате проведенного анализа существующих АОС была выбрана обучающе-контролирующая система, работающая в режиме реального времени, реализованная на базе персональной ЭВМ и предназначенная для индивидуального обучения.

графика программная документация язык

1.2 Анализ дисциплины «Компьютерная графика» и постановка задачи создания АОС

Дисциплина «Компьютерная графика» входит в группу военно-специальных дисциплин и является важной теоретической дисциплиной в общей системе специально-технической подготовки курсантов по специальности. Она представляет собой совокупность научных знаний, охватывающих теорию и практику построения сложных графических систем при проведении военно-научных исследований.

Целью учебной дисциплины является всесторонняя теоретическая и практическая подготовка курсантов к решению задач построения сложных графических систем в ходе проведения военно-научных исследований в условиях профессиональной деятельности по специальности.

Основными задачами учебной дисциплины являются:

- изучение теоретических основ построения сложных графических систем военного назначения;

- привитие навыков исследования сложных военно-технических систем с использованием аппарата математического моделирования.

Основными способами достижения цели обучения являются:

- строгий отбор и постоянная корректировка содержания дисциплины в соответствии с достижениями науки и техники в области компьютерной графики;

- эффективная организация всех видов учебных занятий и самостоятельной работы курсантов;

- изучение и активное использование передового педагогического опыта, опыта боевой подготовки;

- внедрение в учебный процесс активных форм и методов обучения;

- обеспечение высокой индивидуализации обучения и его практической направленности;

- внедрение в учебный процесс результатов научных исследований;

- вовлечение курсантов в научно-исследовательскую и военно-научную работу.

Основными средствами достижения цели обучения по дисциплине являются:

- рациональное распределение учебного времени по видам учебных занятий;

- применение системы индивидуальных заданий на практические занятия и самостоятельную работу;

- использование электронно-вычислительной техники на практических и лабораторных занятиях для моделирования изучаемых процессов, выполнения инженерных расчетов;

- разработка и использование на практических, лабораторных занятиях, на самоподготовке автоматизированных обучающих курсов, информационно-справочных и автоматизированных обучающих систем;

- требовательная и принципиальная оценка знаний и умений курсантов.

Изучение дисциплины основывается на комплексе знаний, умений и навыков, приобретенных курсантами при изучении учебных дисциплин «Математический анализ», «Аналитическая геометрия», «Информатика», «Физика».

Дисциплина состоит из следующих тем:

Тема 1. Основные понятия и разновидности компьютерной графики.

Тема 2. Координатный метод.

Тема 3. Преобразование объектов.

Тема 4. Цвет и его основные характеристики.

Тема 5. Цветовые модели.

Тема 6. Характеристики растра и растровых изображений.

Тема 7. Формы графических изображений.

Тема 8. Методы улучшения растровых изображений.

Тема 9. Графическая система компьютера.

Тема 10. Растровая графика.

Тема 11. Графический редактор Adobe Photoshop.

Тема 12. Векторная графика.

Тема 13. Векторный редактор CorelDraw.

Тема 14. Фракталы.

Основу всей дисциплины составляют первые пять тем, в которых излагаются определения и понятия компьютерной графики, а также математические и геометрические зависимости, методы необходимые для построения графических изображений.

Учебный материал изучается на лекциях, групповых, практических и лабораторных занятиях, а также в ходе самостоятельной работы курсантов.

Основу теоретической подготовки курсантов составляют лекции, которые являются одним из важнейших видов учебных занятий по дисциплине. Лекции концентрируют внимание обучаемых на наиболее сложных и узловых вопросах, стимулируют их активную познавательную деятельность, формируют творческое мышление. Для лучшего усвоения курсантами сложных вопросов теоретической части дисциплины предусматривается проведение всех лекций с применением элементов проблемного обучения, которые предполагают последовательное и целенаправленное включение курсантов в решение научных и технических проблем.

Практические занятия имеют целью закрепление теоретических знаний и формирование навыков использования методов построения графических систем военного назначения, анализа и оценки результатов исследований в процессе военно-профессиональной деятельности и на стадиях исследования, проектирования, производства и эксплуатации вооружения и военной техники. Основным методом проведения практического занятия является выполнение индивидуальных заданий, применение которых позволяет активизировать работу курсантов, учитывать их способности, создавать на занятиях дух соревновательности. Основой всех практических занятий является координатный метод построения графических изображений.

Координатный метод был введен в XVII веке французскими математиками Р. Декартом и П. Ферма. На этом методе основана аналитическая геометрия, которую можно считать фундаментом компьютерной графики. В современной компьютерной графике широко используется координатный метод. Этому есть несколько причин:

- каждая точка на экране (или на бумаге при печати на принтере) задается координатами - например, пиксельными.

- координаты используются для описания объектов, которые будут отображаться как пространственные. Например, объекты микромира, объекты на поверхности Земли, объекты космического пространства и тому подобное. Даже тогда, когда отображается нечто, не имеющее привязки к положению в пространстве (например, случайные цветовые пятна в каком-то видеоэффекте), то и здесь используются координаты для учета взаиморасположения отдельных элементов.

- при выполнении многих промежуточных действий отображения используют разные системы координат и преобразования из одной системы в другую. Координатный метод заключается в следующем:

1. Преобразование координат

Сначала рассмотрим общие вопросы преобразования координат. Пусть задана n-мерная система координат в базисе (k₁,k₂, ..., k_n), описывающая положение точки в пространстве с помощью числовых значений k_i. В компьютерной графике чаще всего используется двумерная (n=2) и трехмерная (n=3) системы координат.

Если задать другую, N-мерную, систему координат в базисе (m₁, m₂,.., m_N) и поставить задачу определения координат в новой системе, зная координаты в старой, то решение (если оно существует) можно записать в таком виде:

где f₁ - функция пересчета i-й координаты, аргументы координаты в системе k_i

Можно поставить и обратную задачу - по известным координатам (m₁, m₂,.., m_N) определить координаты (k₁,k ₂, ..., k_n). Решение обратной задачи записывается:

где F_i, - функции обратного преобразования.

В случае, когда размерности систем координат не совпадают (n?N), осуществить однозначное преобразование координат зачастую не удается. Например, по двумерным экранным координатам нельзя без дополнительных условий однозначно определить трехмерные координаты отображаемых объектов.

Если размерности систем совпадают (n=N), то также возможны случаи, когда нельзя однозначно решить прямую или обратную задачи.

Преобразование координат классифицируют:

- по системам координат - например, преобразование из полярной системы в прямоугольную;

- по виду функций преобразования f_i;

- по виду функций преобразования различают линейные и нелинейные преобразования. Если при всех i=1, 2…, N функции f_i;- линейные относительно аргументов, то есть (k₁,k ₂, ..., k_n) то есть:

где a_ij - константы, то такие преобразования называются линейными, а при к=N - аффинными.

Если хотя бы для одного i функция f_i;- нелинейная относительно (k₁,k ₂, ..., k_n), тогда преобразование координат в целом не линейно.

Линейные преобразования наглядно записываются в матричной форме:

Здесь матрица коэффициентов (a_ij) умножается на матрицу-столбец (k_i,) и в результате получается матрица-столбец (m_i,).

2.Аффинные преобразования на плоскости

Зададим некоторую двумерную систему координат (х, у). Аффинное преобразование координат (х, у) описывается формулами:

где А, В, ..., F - константы. Значения (Х, У) можно трактовать как координаты в новой системе координат.

Обратное преобразование (Х, У) в (х, у) также является аффинным:

Аффинное преобразование удобно записывать в матричном виде. Константы А, В, …, F образовывают матрицу преобразования, которая, будучи умноженная на матрицу-столбец координат (х, у), дает матрицу-столбец (Х, У). Однако для того, чтобы учесть константы С и F, необходимо перейти к так называемым однородным координатам - добавим строку с единицами в матрицах координат:

Матричная запись дает возможность наглядно описывать несколько преобразований, которые идут одно за другим. Например, если необходимо сначала выполнить преобразования (1.1), а потом - другое преобразование (1.2), то это можно описать в виде (1.3)

(1.1)

(1.2)

(1.3)

Однако вместо двух преобразований можно выполнить только одно, где матрица (С) равна произведению (В)*(А).

Рассмотрим частные случаи аффинного преобразования.

- параллельный сдвиг координат (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Параллельный сдвиг координат

Обратное преобразование:

- растяжение-сжатие осей координат (рис. 1.2).

Обратное преобразование:

Рис. 1.2 Растяжение/сжатие осей координат

Коэффициенты k_x и k_y могут быть отрицательными. Например, k_x =-1 соответствует зеркальному отражению относительно оси у.

- поворот (рис. 1.3).

или

Рис. 1.3 Поворот

Обратное преобразование соответствует повороту системы (Х, У) на угол (-б).



Свойства аффинного преобразования:

- любое аффинное преобразование может быть представлено как последовательность операций из числа указанных простейших: сдвиг, растяжение/сжатие и поворот.

- сохраняются прямые линии, параллельность прямых, отношение длин отрезков, лежащих на одной прямой, и отношение площадей фигур.

3.Преобразование объектов.

Преобразование объектов можно описать так. Пусть любая точка, которая принадлежит определенному объекту, имеет координаты (k₁,k ₂, ..., k_n) в n-мерной системе координат. Тогда преобразование объекта можно определить как изменение положения точек объекта. Новое положение точки пространства отвечает новым значениям координат (m₁, m₂,.., m_n).

Соотношение между старыми и новыми координатами для всех точек объекта (m₁, m₂,.., m_n) = F(k₁,k ₂, ..., k_n) и будет определять преобразование объекта, где F- функция преобразования.

Классифицировать преобразования объектов можно согласно типу функции преобразования и типу системы координат.

Рассмотрим отдельные типы преобразований объектов.

- Аффинные преобразования объектов на плоскости

Аффинные преобразования объектов на плоскости описываются так:

где А, В,..., F - константы; х, у - координаты до преобразования; X, У - новые координаты точек объектов.

Рассмотрим частные случаи аффинного преобразования.

- сдвиг (рис. 1.4).

Рис. 1.4 Сдвиг

В матричной форме:

Обратное преобразование позволяет рассчитать старые координаты точек объектов по известным новым координатам:

- растяжение-сжатие (рис. 1.5).

Рис. 1.5 Растяжение/сжатие

В матричной форме:

Обратное преобразование:

- поворот вокруг центра координат (О, О) (рис. 1.6).

или

Рис. 1.6 Поворот объекта.

Формулы для обратного преобразования можно получить, если представить себе поворот точки с координатами (X, У) на угол (-б):

4. Трехмерное аффинное преобразование объектов.

Приведем в виде формулы:

где А, В, ..., N - константы.

Рассмотрим частные случаи трехмерного аффинного преобразования объектов.

- сдвиг на dx, dy, dz:

- растяжение-сжатие на k_x , k_y , k_z:

- поворот вокруг оси х на угол ц (рис. 1.7):



Рис. 1.7 Поворот вокруг оси х на угол ц

- поворот вокруг оси у на угол ш (рис. 1.8):

Рис. 1.8 Поворот вокруг оси у на угол ш

- поворот вокруг оси z на угол у (рис. 1.9):

Рис. 1.9 Поворот вокруг оси z на угол г

5. Связь преобразований объектов с преобразованиями координат.

Преобразование объектов и преобразование систем координат тесно связаны между собой. Движение объектов можно рассматривать как движение в обратном направлении соответствующей системы координат.

Такая относительность для объектов отображения и систем координат дает разработчикам компьютерных систем дополнительные возможности для моделирования и визуализации пространственных объектов. С каждым объектом можно связывать как собственную локальную систему координат, так и единую для нескольких объектов. Это можно использовать, например, для моделирования подвижных объектов.

Обычно, того же самого эффекта можно добиться, если использовать различные подходы. Однако в одних случаях удобнее использовать преобразование координат, а в других - преобразование объектов. Не последнюю роль играет сложность обоснования какого-то способа, его понятность.

Рассмотрим пример комбинированного подхода. Пусть нам нужно получить функцию расчета координат (Х, У) для поворота вокруг центра с координатами (х_о,у_о) (рис. 1.10).

Рис. 1.10 Вращение вокруг произвольного центра

Выше был рассмотрен поворот относительно центра координат (О, О). Для решения нашей задачи введем новую систему координат (х',О'у') с центром в точке (х_о, у_о):

для такой системы поворот точек происходит вокруг ее центра:

Преобразуем координаты (Х', У') в (Х, У) сдвигом системы координат в точку (О, О):

Если объединить формулы преобразований, то получим результат:

При разработке и совершенствовании методики проведения всех видов занятий преподавателю необходимо вести поиск методов и средств повышения эффективности учебного процесса, активизации познавательной деятельности курсантов, вводить в учебный процесс упражнения алгоритмического, частично-поискового и исследовательского характера.

Исходя из результатов проведенного анализа, поставленную задачу можно сформулировать следующим образом.

Необходимо разработать алгоритм и программу автоматизированной обучающей системы (AOC) по дисциплине "Компьютерная графика" в интегрированной среде Delphi 6. Автоматизации подлежат следующие темы:

Тема 1. Основные понятия и разновидности компьютерной графики.

Тема 2. Координатный метод.

Тема 3. Преобразование объектов.

Тема 4. Цвет и его основные характеристики.

Тема 5. Цветовые модели.

Для этого выделяются следующие ресурсы:

- персональная ЭВМ типа IBM PC AТ;

- цветной монитор с адаптером типа CGA,EGA,VGA,SVGA;

- накопитель на ЖМД типа "винчестер";

- накопитель на ГМД для 3,5 дюймовых дисков;

- объем оперативной памяти 16 Мб;

- операционная система Windows версии 95 и выше.

AOC предназначена для курсантов 2-й и 8-й специальности. Обучающая система должна дать обучаемым ясное и полное представление по различным вопросам тем, сформировать устойчивые знания и широкие практические навыки при работе с персональной ЭВМ.

Контроль должен обеспечивать возможность возврата к тренировке и предусматривать оценивание курсанта по пятибалльной шкале оценок. Выбор определенного занятия должен быть простым и быстрым с применением вспомогательных меню. Автоматизированная обучающая система должна быть простой в эксплуатации и доступна курсантам, ознакомленным с порядком и правилами работы с персональной ЭВМ.

AOC должна помочь преподавателю в проведении групповых, практических, контрольных работ, а также курсантам при самостоятельном обучении.

Таким образом, на основании проведенного анализа сформулирована постановка задачи создания AOC.

Выводы

1. На основе анализа существующих АОС была выбрана обучающе-контролирующая автоматизированная система, работающая в режиме реального времени, реализованная на базе персональной ЭВМ, и предназначенная для индивидуального обучения.

2. На основании проведенного анализа определены основные компоненты обучающей системы:

- функциональные;

- обеспечивающие.

3. Проведенный анализа показал, что АОС должна отвечать следующим требованиям:

- AOC функционирует в диалоговом режиме;

- контроль полученных знаний осуществляется непосредственно после окончания изучения теоретического материала.

4. Проведённый анализ тематического плана изучения дисциплины показал возможность представления учебного материала в виде АОС, включающего в себя все виды занятий.

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ, АЛГОРИТМА И ПРОГРАММЫ АОС

2.1 Разработка структуры и функциональной схемы АОС

На основе анализа предметной области, как процесса обучения с использованием ЭВМ, и выбора основных компонентов системы, а также постановки задачи и учета требований к индивидуализации обучения разработана функциональная схема и структура автоматизированной обучающей системы.

При построении функциональной схемы определяется назначение составных частей обучающей системы. При этом подчеркивается, что преподаватель, руководствуясь выбранной стратегией (или планом) обучения использует различные средства обучения (лекция, дискуссия, беседы и т.п.), стремится повысить уровень знаний курсанта.

Следовательно, в самом процессе обучения необходимо выделить:

- содержание, т.е. та информация, которая должна быть усвоена в процессе обучения (цель обучения);

- метод обучения - способ организации деятельности курсанта, направленный на достижение поставленной цели обучения.

Рассматривая функциональную схему как замкнутую систему можно определить обучающую систему как особый вид управляющей системы, в которой объектом управления является курсант, а само управление познавательной деятельностью осуществляется преподавателем посредством использования некоторых воздействий (стратегия, средства обучения), заложенных в ЭВМ.

Особый характер этой системы подчеркивается тем фактором, что выходной параметр в такой системе (если за него принять уровень знаний курсанта) должен иметь характер неубывающей функции.

При информационном подходе на первый план выдвигается содержание обучения.

Анализ процесса обучения в различных аспектах позволяет поставить задачу формализации самого процесса. В зависимости от подхода, видимо, могут быть получены различные модели обучения.

На основе анализа учебного процесса по дисциплине «Компьютерная графика» целесообразно применить следующую логическую последовательность процесса обучения:

Представление информации - восприятие - осмысление - закрепление - применение на практике.

В функциональном аспекте эта последовательность может быть реализована аппаратом, блок-схема которого изображена на рис.2.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2.1 Функциональная схема АОС

Здесь блок 1 с добавлением неуказанной системы математического обеспеченья представляет собой устройство взаимодействия. Блок 2 изображает функции, которые выполняет машина при обучении. Фактически эти функции выполняются набором программ, которые в тексте будут рассматриваться под общим названием “управляющие программы”.

Программа “Ассистент” осуществляет прием ответов и их предварительную обработку.

Программа “Профессор” на основании выбранного алгоритма определяет дальнейшее обучение, выдачу непосредственных указаний курсанту, а также производит выбор стратегии. Выбор стратегии осуществляется по заложенным критериям и алгоритму обучения. Блок 3 представляет собой хранилище информации (“библиотека”), которая используется в процессе обучения. На основе рассмотренной выше функциональной схемы была разработана структура АОС [3].

Структура обучающей системы включает в себя определенные функциональные элементы и различное программное обеспечение, необходимое для выполнения основной целевой установки - обеспечение процесса обучения курсантов по заданной тематике. Структурная схема обучающей системы изображена на рисунке 2.2.

Подсистема теории должна довести до обучаемого теоретическую информацию, предусмотренными обучающим курсом.

Теоретическая информация предоставляется порциями, размер которых не более экрана дисплея. Это дает возможность охватить всю информацию, полностью ее усвоить, переработать и перейти к следующей. При необходимости предусмотрена возможность возврата к предыдущим порциям материала. Это нужно в случае, когда пример и пояснения к нему не выводятся в виде одной порции материала. Значительная часть теоретической информации иллюстрируется примерами. Данная подсистема позволяет осуществить выбор той порции информации, которая необходима курсанту при неудовлетворительных результатах контрольного опроса, что дает возможность уяснить сделанные ошибки и проработать материал заново.



Рисунок 2.2 Структура обучающей системы

Подсистема практики обеспечивает наглядность самого процесса обучения, практически без непосредственного участия обучаемого.

Подсистема практики предназначена для наглядного показа обучаемому выполнения примеров, при чем она требует только внимательного просмотра того, что предлагает ЭВМ.

Подсистема тестирования обеспечивает возможность задания набора контрольных вопросов для проверки теоретических знаний по ранее изученным темам, а также возможность возврата к повторному изучению теории.

Подсистема оценки знаний обеспечивает анализ результатов работы конкретного курсанта в среде АОС, а также сообщает окончательную оценку за сеанс работы. Она предназначена для: контроля выполнения курсантами практических примеров, выставления оценки курсанту и возврата к тренирующей части при неудовлетворительных результатах. Данная подсистема построена по разветвленному алгоритму анализа ответов курсанта. Такой алгоритм обеспечивает взаимодействие с подсистемой теории и практики, что дает возможность обучаемому уяснять свои ошибки, заново повторяя определенные порции теоретического материала или наглядного выполнения примеров. Для формирования оценки используется комплексный метод анализа сделанных ошибок, в зависимости от установления фактов наличия ошибок и времени решения.

К обеспечивающим подсистемам относятся: техническая, организационная, информационно-справочная и служебная.

На техническую подсистему возлагается все техническое обеспечение, а также операционное. Главное звено в ней - ЭВМ. ЭВМ может быть использована любая с операционной системой Windows 9x и выше. Этот выбор определяется наличием цветного графического дисплея, наличием достаточного объема оперативной памяти и обширного разнообразного программного обеспечения, что позволяет создавать различные программные продукты. Использование цвета позволяет повысить наглядность порций информации, выдаваемых на экран, а также общее эстетическое оформление обучающей системы.

Организационная подсистема включает:

- систему диалога;

- систему отображения;

Система диалога организована в виде меню: раскрывающихся, вложенных и прокручивающихся, что облегчает взаимодействие с обучаемым. Система отображения позволяет повышать наглядность выводимой информации путем изменения атрибутов цветов экрана дисплея. Система помощи-подсказок облегчает обучаемому пользоваться системой меню, а также поясняет смысл некоторых из них. Механизм возврата осуществляет взаимодействие демонстрационной, тренирующей и контролирующей функциональных подсистем.

Информационно-справочная подсистема предназначена для ознакомления с порядком пользования АОС, содержанием тем занятий. Она также включает информацию, необходимую для преподавателя и обучаемого при работе в среде АОС, т.е. систему помощи и различных подсказок, а также весь банк данных с текстами учебных материалов, задач и вопросов.

Банк данных включают в себя:

- банк теории, в котором содержится учебный материал, разбитый на лекции и вопросы; он используется непосредственно для доведения основных теоретических знаний обучаемому;

- банк практики, в котором содержится практический материал, разбитый на учебные вопросы; он используется непосредственно для демонстрации решения практических примеров;

- банк вопросов, в котором содержатся тексты вопросов.

Служебная подсистема обеспечивает подготовку базы данных необходимой при тестировании обучаемого.

Такая структура АОС обеспечивает:

- доведение темы, цели занятия;

- вывод на экран дисплея порций теоретической информации в рамках выбранной темы занятия;

- просмотр занятия в прямом и обратном направлениях;

- сопровождение теории необходимыми примерами;

- вывод помощи и справочной информации;

- проведение лабораторной работы;

- проверку практических и теоретических знаний обучаемого с выставлением оценки на всех этапах работы;

Основная часть подсистем АОС организована в виде программных модулей. Совокупность этих модулей плюс техническое обеспечение образует обучающую систему. Главный модуль АОС управляется операционной системой [4].

2.2 Применение метода оценки знаний в АОС

Контроль - это учебно-диагностическая процедура, ориентированная на выявление и оценку степени овладения учащимися знаниями, умениями и навыками.

Было бы неплохо иметь возможность разговаривать с ЭВМ на естественном языке, чтобы обучаемый мог отвечать машине так же, как он отвечает преподавателю. Но в настоящее время создатели обучающих систем еще к этому не готовы.

Одна из наиболее важных причин заключается в сложности распознавания смысла ответа. Проблема распознавания смысла предложения окончательно не решена. Поэтому наибольшее распространение в обучающих системах находит универсальный и простой метод анализа по ключевым словам.

При использовании ключевых слов можно достичь достаточно хороших результатов. Но применять этот метод нужно осторожно, т.к. возможности распознавания смысла с его помощью ограничены.

Поскольку процедура анализа ответов на вопросы имеет некоторые ограничения, то при проектировании вопросов автор должен представлять, какие ответы могут быть проанализированы в конкретной АОС.

Как правило, в современных АОС реализуются вопросы с ответом:

- выборочного типа,

- выборочно-конструируемым,

- свободно-конструируемым.

При выдаче ответа выборочного типа обучаемый выбирает из списка пронумерованных ответов, предъявляемых ему системой, номера тех ответов, которые, по его мнению, являются правильными.

Выборочно-конструируемый ответ представляет собой ответ, сконструированный обучаемым из составленных автором частей ответа, предъявляемых обучаемому системой.

Возможность формирования ответа в свободно-конструируемой форме является важным качеством автоматизированных обучающих систем.

Процедура контроля в автоматизированной системе на базе ЭВМ обеспечивается контролирующими (линейными, разветвленными, адаптивными) программами, входящими в состав программного обеспечения системы. В составе разрабатываемого АОС используется разветвленная контролирующая программа.

Основу программного контроля знаний составляет система контрольных заданий или тесты.

При вводе ответа в обучающую систему обучаемый использует:

- выборочный метод ввода, состоящий во вводе элемента из ряда предложенных;

- числовой метод, состоящий в кодировании ответа в виде числа;

- результативный, заключающийся во вводе результатов расчетов;

- конструируемый, т.е. ввод совокупности символов в определенной последовательности;

- графический, состоящей в представлении ответа фигурой, графом или структурой;

- естественный метод, предполагающий использование грамматики языка, применяемого в системе.

Наиболее распространены первые четыре метода ввода ответа. В создаваемом АОС применен выборочный метод ввода ответа, который позволяет осуществить метод случайной перестановки ответов, что способствует наиболее качественному контролю степени усвоения материала обучаемыми.

Формирование оценки за усвоенный материал может проводиться с учетом количества допущенных ошибок в задании, веса ошибочно выполненных тестов в задании, веса типа допущенной ошибки при выполнении задания, затраченного времени и т.д. Наиболее распространен метод выставления оценки за количество правильно выполненных заданий (или число допущенных ошибок) [5].

При ранжировании тестов по уровням оценка знаний вычисляется с учетом веса выполненных заданий.

Для объективной оценки также используется статистические методы обработки ответов на контрольные вопросы и задачи. Обучаемому предлагается несколько вопросов из общей совокупности вопросов некоторого раздела изучаемого курса. Выборка вопросов идет случайным образом. Число вопросов может варьироваться в зависимости от степени правильности ответов на предыдущие вопросы.

Сущность статистического способа оценки знаний заключается в следующем. Составляется программа из N контрольных вопросов. Для каждого обучаемого выбирается n вопросов. Определяется число m правильных ответов. В зависимости от доли правильных ответов d= m/n принимается решение о выборе i-й, i = (1,k) оценки. Здесь величина k определяет максимальное число баллов по принятой шкале оценок. При k=2 шкале оценок соответствуют двухбалльные оценки: "зачет", "незачет".

Таким образом, при чисто статистическом подходе оценка качества знаний сводится к определению вероятности получения правильных ответов на случайную выборку вопросов n и N. Если принять, что курсант сможет ответить на M вопросов из N, то эта вероятность равна:

, (2.1)

где - число сочетаний из M по m.

Качество навыков оценивается по скорости и точности выполнения требуемых операций. При достаточно большом времени наблюдений скорость выполнения операций оценивается выражением:

(операций/c) (2.2)

где t_i - время выполнения операции в i-й попытке;

n - количество попыток.

Более удобно оценивать уровень владения операцией по среднему времени ее выполнения:

(c) (2.3)

Такая оценка удобна не только при итоговом контроле, но и в процессе тренировочных упражнений.

Кроме того, используется оценка качества усвоения знаний с помощью двух типов шкал: метрических и не метрических.

К не метрическим шкалам, которые характеризуются тем, что они определяют место оцениваемого объекта, а не расстояние между объектами, могут быть отнесены номинальная шкала, порядковая шкала, шкала упорядоченной классификации.

Метрические шкалы объединяют шкалы, в которых кроме свойств не метрических шкал задается расстояние между объектами. Наиболее распространенный тип метрической шкалы - интервальная.

Основным свойством номинальной шкалы является отношение равенства или неравенства. Такая шкала может отражать систему оценок при зачете, когда образуется две группы с неравными оценками между группами.

При использовании порядковой шкалы за основу берется уровень оцениваемого качества. Чем выше уровень, тем выше место, занимаемое учащимся. Шкала используется в том случае, если количественно оценить обучаемых сложно.

В шкале упорядоченной классификации упорядочиваются не отдельные объекты - обучаемые, а классы объектов (т.е. группа учащихся).

Интервальная шкала позволяет складывать, делить оценки, находить средний балл, устанавливать порядок и различия в сумме набранных баллов.

Для оценивания курсантов в разрабатываемой АОС применена интервальная шкала оценок. Она предусматривает оценивание курсантов по четырех балльной шкале и имеет вид:

5 при W = 100%

4 при 75 W < 100%

O= 3 при 50 W < 75%

2 при W < 50%

где О - оценка из интервала 5,4,3,2;

W - процентное содержание оценки.

Процентное содержание оценки формируется исходя из количества правильных ответов, и вычисляется по формуле:

(2.4)

где W - оценка, выраженная в процентах;

А - количество правильных ответов;

В - общее количество контрольных вопросов.

Когда ответы обучаемого оцениваются машиной и хранятся в памяти, определяется итоговая оценка по дисциплине:

, (2.5)

где Сi - оценки полученные обучаемым в процессе изучения дисциплины;

Кi - коэффициент, характеризующий влияние i-ой оценки на итоговую;

Дi - поправка к оценке <С>, учитывающая степень трудности задания;

n - количество оценок.

Величина Дi для задания повышенной, средней и облегченной трудности принимают соответственно значения: 0.5 , 0 , -0.5 . В общем случае Кi определяются экспертным опросом или экспериментально. Для последовательно выполняемых заданий по взаимосвязанному материалу наиболее приемлемыми являются зависимости коэффициентов Кi , соответствующие функции забывания. В этом случае:

, (2.6)

где bi - константа взаимосвязи предыдущего и изучаемого материала;

i - номер оценки в общем ряду.

Кроме того, коэффициенты должны удовлетворять условию нормировки:

, (2.7)

При заданном n по выражениям (2.6) и (2.7) определяются коэффициенты К и величина b. Однако этот расчет является довольно трудоемким. Для упрощения с небольшой погрешностью, можно считать, что:

Ki = bi, i=1,n, (2.8)

Выражение (2.8) показывает линейную зависимость коэффициента от номера оценки в общем ряду. В этом случае:

, (2.9)

Порядок выставления оценки иллюстрируется на рис. 2.3.

ЗА Д А Н И Е

Рис. 2.3 Порядок выставления оценки

Тогда итоговая оценка С определяется по следующей формуле:

, (2.10)

Таким образом, результатом работы АОС является выставление рекомендуемой оценки, которая выводится в подменю "Журнал". Для этого необходимо пройти все остальные этапы.

2.3 Разработка алгоритма функционирования АОС

В алгоритме АОС реализуется цели по изучению нового материала и приобретению практических навыков в решении функциональных задач. Управление учебной деятельностью обучаемого направляется на создание условий для эффективной работы с материалом системы.

Из сказанного следует, что АОС в некотором отношении воспроизводит процесс обучения, т.е. процесс передачи и овладения знаниями. Следовательно, составление АОС по своему замыслу и целевому назначению связано с разработкой алгоритма обучения.

В алгоритме обучающей системы должна воплощаться логическая последовательность обучения, представленная на рис. 2.4.

Рис. 2.4 Логическая последовательность обучения

Знания передаются от средства представления учебного материала к обучаемому, который за время t1 осуществляет усвоение определенной порции информации путем восприятия, осмысления и закрепления. При этом степень усвоения материала при восприятии и осмыслении определяется, в основном, психофизическим состоянием обучаемого и его побудительными мотивами к добыванию знаний.

Закрепление и контроль степени усвоения материала является важнейшим этапом обучения. Закрепление полученных знаний должно проводиться по мере изучения отдельных частей учебного материала путем контрольных заданий, ответов на вопросы с выдачей комментариев по поводу верного ответа и указаний при неверном ответе.

На основании разработанной структурной схемы автоматизированной обучающей системы был разработан алгоритм работы АОС (рис. 2.5) и алгоритмы работы подпрограмм (рис. 2.6).

Работа АОС состоит из ряда шагов, соответствующих блокам.

Шаг 1. Загрузка модуля «Выбор пользователя», выбор ключа K:

- Если K=0, то переход на шаг 9.

- Если K=1, то переход на шаг 2.

Шаг 2. Ввод пароля

Шаг 3. Загрузка модуля «Администратор», выбор ключа L:

- Если L=0, Загрузка «Журнал». Переход на шаг 4.

- Если L=1, Загрузка «Редактор теста». Переход на шаг 5.

- Если L=2,то «Выход». Переход на шаг 1.

Шаг 4. Выбор действия с «Журналом», иначе переход на шаг 3.

Шаг 5. Действие с «Журналом». Переход на шаг 3.

Шаг 6. Выбор действия с «Редактор теста», иначе переход на шаг 3.

Шаг 7.Действие с «Редактор теста». Переход на шаг3

Шаг 8. Введите ФИО и № учебной группы

Шаг 9. Загрузка модуля «Пользователь», выбор ключа Y:

- Если Y=0, Загрузка теоретического материала. Переход на шаг 10.

- Если Y=1, Загрузка практических задач. Переход на шаг 13.

- Если Y=2, Загрузка тестирования для самоконтроля. Переход на шаг 16.

Шаг 10. Выбор теоретического материала.

Шаг 11. Процесс обучения теории.

Шаг 12. Выбрать другой материал, то переход на шаг 10, иначе переход на шаг 9.

Шаг 13. Выбор задачи.

Шаг 14. Процесс решения задачи.

Шаг 15. Выбрать другую задачу, то переход на шаг 13, иначе переход на шаг 9.

Шаг 16. Процесс тестирования.

Шаг 17. Обработка результатов.

Шаг 18. Вывод результатов. Переход на шаг 9.

Шаг 19. Завершение работы алгоритма.

Рис. 2.5 Схема алгоритма АОС



Рис. 2.5 Схема алгоритма АОС (Окончание)

Рисунок 2.6 Схема алгоритмов подпрограмм АОС



Рисунок 2.6 Схема алгоритмов подпрограмм АОС (Окончание)

2.4 Разработка программы АОС

2.4.1 Выбор и обоснование языка программирования

При составлении программы любого уровня, встает вопрос о выборе наиболее подходящего языка программирования, еще более важным является данный вопрос при написании большой программы, в частности, программы обучающего комплекса. Во многих случаях такой выбор диктуется очень простыми факторами - доступностью того или иного транслятора и умением составлять программы на данном языке. Если, однако, в распоряжении пользователя имеется достаточно большой выбор языков программирования, то следует учитывать следующие обстоятельства: