Проект создания интернет-учебного пособия

3

Реферат

Дипломная работа - 94 страницы, 9 рисунков, 8 таблиц, 14 источников, 5 приложений.

КОМПЬЮТЕРНЫЙ УЧЕБНИК, дистанционноЕ образованиЕ, ИНФОРМАЦИОННАЯ БАЗА, ПРОГРАММНАЯ СРЕДА, УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС, ТЕХНОЛОГИЯ, теоретическИЙ модулЬ, справочный модуль, тестовый модуль, HTML, интернет.

В дипломной работе рассмотрены основополагающие принципы, методы и средства построения компьютерных учебников. Подробно рассмотрены существующие программные продукты, позволяющие создавать компьютерные учебники, удовлетворяющие основным требованиям.

Приведена технология создания компьютерных учебников, содержащих специальные математические тексты.

Разработано интернет-учебное пособие «Нелинейная теория устойчивости», предназначенное для самостоятельного изучения курса, для проведения компьютерных занятий в учебном процессе и для самоподготовки обучаемых перед зачетами и экзаменами.

Оглавление

Перечень сокращений, символов и специальных символов 4

Введение 6

1. Принципы создания и основные требования к компьютерным учебникам и обучающим программам 11

1.1 Базовые принципы создания систем дистанционного образования 12

1.2 Требования к учебным пособиям и обучающим программам 14

2. Обзор существующих программных сред для создания компьютерных учебников 17

2.1 Обзор зарубежных средств 18

2.2 Обзор российских средств 21

2.3 Анализ различных подходов и решений 25

3. Описание компьютерного учебника 26

3.1 Общие сведения о программной среде TBBuilder 2 26

3.2 Наполнение информационной базы компьютерного учебника 29

3.3 Инструкция по практическому использованию компьютерного учебника в учебном процессе 33

4. Технология создания компьютерного учебника 35

4.1 Перевод текста из формата TEX в формат HTML 35

4.2 Технология создания компьютерных учебников, содержащих специальные математические тексты 40

5. Расчет экономической эффективности внедрения компьютерного учебника в учебный процесс и определение затрат на разработку электронного учебника 45

5.1 План разработки программы 45

5.2 Определение затрат на разработку программы 50

5.2.1 Расчет капитальных вложений 52

5.2.2 Расчет годовых эксплуатационных расходов, связанных с использованием разработанной программы 52

5.3 Оценка экономической эффективности внедрения программы 53

6. Охрана труда и окружающей среды 54

6.1 Санитарно-гигиенические факторы 55

6.1.1 Микроклимат 55

6.1.2 Освещенность 56

6.1.3 Шум и вибрации 57

6.1.4 Излучения и поля 58

6.2 Эргономические факторы 59

6.2.1 Рабочий стол оператора 59

6.2.2 Рабочий стул оператора 60

6.2.3 Дисплей 61

6.2.4 Клавиатура 62

6.3 Психофизиологические факторы 62

6.3.1 Основные характеристики изображения на экране 62

6.4 Выводы 68

Заключение 70

Перечень сокращений, символов и специальных символов

ДО - дистанционное образование

КУ - компьютерный учебник

ИБ - информационная база

ТТ - терминальный текст

HTML - HyperText Markup Language

Дистанционное образование (ДО) - это комплекс образовательных услуг, предоставляемых с помощью специализированной информационно-образовательной среды, которая обеспечивает доступность образовательных услуг практически независимо от расстояния до учебного заведения.

Дистанционное обучение - форма получения образования, при которой в образовательном процессе используются лучшие традиционные и инновационные методы, средства и формы обучения, основанные на компьютерных и телекоммуникационных технологиях.

Компьютерный учебник (КУ) - это программно-методический комплекс, обеспечивающий возможность самостоятельно освоить учебный курс или его большой раздел. КУ соединяет в себе свойства обычного учебника, справочника и задачника. Основное назначение компьютерного учебника - формирование и закрепление новых знаний, умений и навыков в определенной предметной области и в определенном объеме в индивидуальном режиме.

Информационная база (ИБ) - база знаний и база данных компьютерного учебника.

Терминальный текст (ТТ) - текстовое сообщение, несущее в себе законченную информацию. В состав терминальных текстов могут, например, входить: постановка задачи, стратегия решения задачи, алгоритмы решения задачи, анализ решения задачи, теоремы, определения, пояснения, краткие примеры, комментарии и т.п. Терминальный текст может нести в себе как текстовую, так и графическую информацию.

HTML - язык гипертекстовой разметки. Язык разметки исходного текста веб-документа, включающий специальные символы (теги), которые позволяют веб-браузеру сконструировать из текста дизайн. HTML предоставляет возможности форматирования и обработки форм, управления шрифтами, отображения информации в табличном виде, гипертекстовые связи и поддержку Java-апплетов.

TEX - система верстки математических текстов.

Введение

Процесс обучения - очень важный процесс в современном обществе. Во многом от его построения зависит качество получаемых во время обучения знаний. Особенную актуальность в настоящее время приобрело дистанционное образование, основанное на применении интернет-технологий. Важность такого вида образования вытекает, прежде всего, из возможности проведения обучения на расстоянии.

Большой интерес к дистанционному обучению, который возрастает сегодня во всем мире, особенно с использованием интернет-технологий, имеет объективную основу. В связи с техническим прогрессом и появлением новых специальностей растет потребность людей в эффективном образовании, повышении квалификации, переподготовке и дополнительном профессиональном образовании. При этом растущий динамизм жизни вызывает потребность в мобильных учебных системах. Развитие сети Интернет открывает новые перспективы дистанционного образования, при которых учащемуся обеспечиваются возможности, свойственные очному обучению, а также целый ряд дополнительных, возникших в связи с развитием современных информационных технологий. Дистанционное образование становится единственной реальной возможностью учиться в индивидуальном режиме, независимо от места и времени. Появилась возможность получать образование непрерывно и по индивидуальной программе в соответствии с принципами открытого образования. Дистанционное образование призвано реализовать права человека на непрерывное образование и получение информации.

Система дистанционного образования не является антагонистичной в отношении к существующим очным и заочным системам обучения, она естественным образом должна интегрироваться с этими системами, дополняя и развивая их, способствуя созданию мобильной образовательной среды. Задача дистанционного обучения - учить, не имея прямого постоянного контакта с обучаемым.

Цели дистанционного образования:

создание образовательного пространства посредством внедрения в учебный процесс современных технологий;

самостоятельная поисковая деятельность студентов в образовательном пространстве, контролируемая и направляемая вузом;

переход от репродуктивного метода обучения к творческому (креативному) освоению знаний студентами.

Дистанционное образование сориентировано на внедрение в учебный процесс новых технологий, которые со временем перестроят всю организацию обучения. Применение этих технологий принципиально меняет способ получения и усвоения знаний, а также взаимодействие между студентом и преподавателем. Источником информации в данных моделях являются базы данных (образовательное пространство), координатором учебного процесса -- преподаватель, а интерпретатором знаний - сам студент. Его деятельность меняется: от получения знаний -- к творческому поиску таковых.

Многие ВУЗы занимаются проблемой дистанционного образования, в том числе и Московский Авиационный Институт, где особенных успехов добилась кафедра “Математическая кибернетика”, специализирующаяся на создании компьютерных учебников по различным дисциплинам и имеющая многолетний опыт разработки и использования компьютерных систем обучения.

Для поддержки обучения дисциплинам, входящим в учебный план студентов МАИ, на кафедре "Математическая кибернетика" был создан комплекс компьютерных учебных пособий и учебников, которые находятся в компьютерной библиотеке кафедры. Эти учебники предназначены для самостоятельного изучения дисциплин, для проведения компьютерных занятий в учебном процессе и для самоподготовки перед зачетами и экзаменами. Комплекс, включающий в себя более 70 компьютерных учебников, поддерживает 8 разделов курса "Теория управления", 7 разделов курса "Системный анализ", 3 раздела курса "Линейная алгебра и аналитическая геометрия", а также курсы "Теория графов", "Теория функций комплексного переменного", "Линейное программирование", "Линейные дифференциальные уравнения" и другие.

В 2005 году на кафедре "Математическая кибернетика" для разработки и наполнения информационной базы компьютерного учебника была создана программная среда TBBuilder 2, позволяющая наполнять информационную базу компьютерного учебника на естественном языке пользователя. При этом в программе учитывается специфика информации, присущей математическим дисциплинам, и присутствуют редакторы, позволяющие работать с формулами и графиками функций. Наполнение информационной базы структурировано таким образом, чтобы обеспечить самостоятельную работу студента по получению информации, выработки ее понимания и умения по ее практическому использованию.

В учебном плане специализации кафедры 805 МАИ "Информационные технологии в управлении и обучении" предполагается изучение спецкурса “Нелинейный динамический анализ систем”, разработанного академиком

В.М. Матросовым, который до настоящего времени не имел соответствующего компьютерного учебника. Это вызвало практический интерес и, вследствие этого, возникла задача создания учебного интернет-пособия "Нелинейная теория устойчивости", при создании которого использовалась методология и принципы организации компьютерного обучения, разработанные на кафедре "Математическая кибернетика" и уже многие годы используемые на практике.

Вследствие вышесказанного, были поставлены следующие задачи:

Освоить принципы, методы и средства построения компьютерных учебников и подготовить материал по «Нелинейной теории устойчивости».

Разработать технологию создания компьютерных учебников, содержащих специальные математические тексты.

Разработать структуру теоретического модуля: перевести текст компьютерного учебника (в формате TEX) в формат HTML, структурировать его и разработать средства навигации по страницам учебника.

Выбрать программную среду создания компьютерных учебников и реализовать интернет-учебное пособие с учетом разработанной технологии.

Электронный учебник должен содержать:

оглавление

алфавитный указатель

средства навигации по учебнику

средства контроля знаний обучаемого

В качестве программной среды для создания интернет-учебного пособия «Нелинейная теория устойчивости» был выбран TBBuilder 2, разработанный на кафедре "Математическая кибернетика" МАИ.

В дипломной работе описываются процессы разработки технологии и реализации компьютерного учебника «Нелинейная теория устойчивости», а также предложен алгоритм его использования. Рассчитана экономическая эффективность и суммарные затраты на разработку.

В разделе 1 дается описание основополагающих принципов создания и требований к компьютерным обучающим программам, т.к. во многом от их выполнения зависит достижение высокой эффективности обучения. Особое внимание в этом разделе уделяется требованиям к компьютерным учебникам.

В разделе 2 приводится обзор существующих программных продуктов, позволяющих создавать компьютерные учебники, удовлетворяющие изложенным требованиям.

Раздел 3 посвящен описанию компьютерного учебника «Нелинейная теория устойчивости». Приведена инструкция по практическому использованию компьютерного учебника в учебном процессе.

В разделе 4 описан процесс создания компьютерного учебника «Нелинейная теория устойчивости». Проанализированы трудности при переводе предложенного текста (в формате TEX) в формат HTML и предложены пути их решения. Приведена технология создания компьютерных учебников, содержащих специальные математические тексты.

Раздел 5 дипломного проекта посвящен решению следующих задач:

разработке плана создания компьютерного учебника;

определению затрат на разработку электронного учебника и его цены;

оценке экономической эффективности внедрения компьютерного учебника в учебный процесс.

В разделе 6 (охраны труда и безопасности жизнедеятельности) описано влияние санитарно-гигиенических, эргономических и психофизиологических факторов на оператора ПЭВМ. В данном разделе, основываясь на государственные стандарты и санитарные нормы, рассмотрены наиболее оптимальные параметры рабочей среды для реального рабочего места.

1. Принципы создания и основные требования к компьютерным учебникам и обучающим программам

Образование без отрыва от основной деятельности появилось более 130 лет назад. С тех пор данная форма образования не перестает будоражить сознание специалистов. С одной стороны, она получила огромное распространение в разных регионах мира, а с другой -- постоянно критикуется.

За последние 30 лет в системах образования произошли существенные структурные изменения, обусловленные развитием научно-технического прогресса и его возрастающим воздействием на все стороны жизни общества.

Существует несколько подходов к определению дистанционного образования. В Концепции создания и развития единой системы дистанционного образования в России, принятой Государственным комитетом РФ по высшему образованию 31 мая 1995 г., дано следующее определение: «Под дистанционным образованием понимается комплекс образовательных услуг, предоставляемых широким слоям населения в стране и за рубежом с помощью специализированной информационно-образовательной среды на любом расстоянии от образовательного учреждения. Информационно-образовательная среда дистанционного образования представляет собой системно организованную совокупность средств передачи данных, информационных ресурсов, протоколов взаимодействия, аппаратно-программного и организационно-методического обеспечения, ориентированную на удовлетворение образовательных потребностей пользователей».

Цели дистанционного образования можно сформулировать следующим образом:

создание образовательного пространства посредством внедрения в

учебный процесс современных технологий;

самостоятельная поисковая деятельность студентов в образовательном пространстве, контролируемая и направляемая вузом;

переход от репродуктивного метода обучения к творческому (креативному) освоению знаний студентами.

1.1 Базовые принципы создания систем дистанционного образования

Можно сформулировать базовые принципы, на основе которых создаются системы дистанционного образования, являющиеся сегодня мерилом удачных или неудачных решений.

Во-первых, доступность обучения. При хроническом недостатке времени учиться надо все больше и больше. Причем процесс обучения должен начинаться когда угодно - когда есть время; длиться сколько угодно - сколько есть времени и сил; он может быть внезапно прекращен или прерван, например срочный телефонный звонок, и может быть продолжен с любого места. А сверху еще накладываются субъективные особенности обучаемых: начальные знания, специфика освоения материала и т.д. и т.п. Радикальный прорыв в этой области позволил осуществить известные результаты научно-технического прогресса: персональный компьютер и Интернет, а в ближайшей перспективе - мобильный Интернет и беспроводные локальные пикосети.

Во-вторых, радикально новые формы представления и организации информации, обеспечивающие максимальную степень ее восприятия. Среди них можно выделить:

Максимальное использование различных способов представления информации: текста, графики, видео, звукового сопровождения, анимации, т.е. то, что получило название "мультимедиа";

Нелинейную форму организации материала, при которой его единицы представлены не в линейной последовательности, а как система явно указанных возможных переходов, связей между ними, дающая возможность адекватного представления всей взаимосвязи ее различных аспектов. Такой подход позволяет в максимальной степени приблизить процесс передачи знаний к естественному общению и обеспечить адаптивность траектории обучения;

Присутствие большого количества справочной информации, причем именно в дополнительной, сопровождающей форме, когда пользователь видит основной предмет изучения в окружении каких-либо других узлов, т.е. любой вопрос (тема, проблема, аспект, идея, документ) всегда оказывается связанным с другими вопросами. Пользователь может не учитывать эту информацию, но она ему предоставляется, причем именно как смежная, находящаяся в определенных связях с вопросом, непосредственно интересующим пользователя. В целом такая система заставляет учитывать, что интересующая его тема может иметь еще какие-то аспекты.

В настоящее время в мировой практике наиболее перспективным способом организации разнородной информации признана гипермедийная технология. Главными ее достоинствами являются, с одной стороны, ориентация на создание информационной среды, с другой - возможность адекватного представления всей взаимосвязи различных аспектов. Характерным примером ее использования является популярная World Wide Web - гигантская гипермедиа-паутина, которую можно (в контексте задач обучения) рассматривать как интеллектуальную надстройку над информационным банком глобальной сети Интернет.

В-третьих, достоверность сертификации знаний. Оценка знаний предельно усложняется. Если раньше это вверялось в руки преподавателей, которые в ходе личной встречи (для некоторых студентов в ходе последовательности таких встреч) добивались того, чтобы студент привел багаж своих знаний в соответствие с выставляемой оценкой, то в системах дистанционного образования при сертификации знаний очного контакта, как правило, нет. Соответственно и методики сертификации знаний существенно отличаются от используемых при очном обучении. Наиболее распространенными здесь являются методики, основанные на тестировании, которые используются в практике очного образования скорее как дополнительные. Здесь они - основные. И сразу же встает другая проблема - при отсутствии очного контакта нет гарантий того, что экзамены не сдал кто-то другой. Именно поэтому на некоторых сертификатах, выдаваемых профессиональными организациями, есть подпись главного психометриста.

Стоит сказать, что дистанционное образование в большинстве случаев видится не в отрицании действующих форм образования, а в их совершенствовании, во внедрении в учебный процесс новых технологий, которые со временем перестроят всю организацию обучения. Таким образом, в отдельных случаях, как на кафедре "Математическая кибернетика" МАИ, описанная выше проблема достоверности сертификации знаний отпадает (т.к. интернет-учебное пособие «Нелинейная теория устойчивости» будет использоваться при очном обучении).

1.2 Требования к учебным пособиям и обучающим программам

С использованием гипертекстовых документов и активным использованием информационных технологий в дистанционном обучении, разработка компьютерного учебника становится более сложной задачей. Так как желательно предусмотреть возможность работы по локальной сети с учебником, возможность размещения его в сети Интернет, защитить системно обучающие функции, чтобы случайные ошибки пользователя не меняли содержание учебника. Словом, следует ужесточить требования к психолого-педагогическим аспектам, обратив особое внимание на коммуникативный режим.

Одним из достоинств электронных средств обучения и, в частности, компьютерных учебников, относят индивидуальный темп обучения. Под этим должна подразумеваться не только "индивидуализация" по времени, так как обучение при классно-урочной системе подчинено жестким временным рамкам, но и вариативность развернутости учебного материала, учет типа памяти, темперамента и мышления учащегося. Можно говорить не только о психолого-педагогических требованиях, а и о психофизиологических.

Таким образом, вытекает необходимость встраивания в компьютерные учебники небольшого набора тестов, позволяющих оценивать основные психофизиологические особенности конкретного обучающегося. После такой оценки должен быть выбран тот вариант предъявления учебного материала, который наилучшим образом отвечает индивидуальным психофизиологическим особенностям обучаемого. Существующие возможности методики и техники позволяют это сделать.

Но это уже высший пилотаж.

Рассмотрим основные требования к компьютерному учебнику.

Компьютерный учебник (КУ) - это программно-методический комплекс, обеспечивающий возможность самостоятельно освоить учебный курс или его большой раздел.

КУ должен обладать следующими свойствами:

обеспечивать оптимальную для пользователя последовательность и объём различных форм работы c курсом;

обеспечивать возможность самоконтроля качества приобретенных знаний и навыков;

прививать навыки исследовательской деятельности;

экономить время учащегося, необходимое для изучения курса.

Интернет-учебное пособие должно содержать в необходимом объеме информацию, обеспечивающую возможность изучения данной дисциплины; изложение материала дисциплины должно осуществляться в едином стиле на протяжении всего пособия, а весь приведенный в пособии материал должен быть снабжен разъяснениями, графическими иллюстрациями и поясняющими примерами.

Общие требования к компьютерному учебнику:

КУ должен позволять изучить курс, пользуясь преимущественно учебным материалом, изложенным в нём (только компьютерной или Web-реализацией КУ);

КУ должен предоставлять оптимальное сочетание различных способов изучения курса;

все инструкции по использованию программного обеспечения (если они нужны) должны быть приведены в тексте учебника в соответствующих местах;

каждый элемент программного обеспечения КУ должен удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к программам соответствующего типа;

в КУ должны быть использованы в максимальной степени (на уровне разумной достаточности) современные достижения информационных технологий.

Компьютерные учебники предназначены для самостоятельного изучения курсов, для проведения компьютерных занятий в учебном процессе и для самоподготовки перед зачетами и экзаменами.

Выполнение требований к учебным пособиям и обучающим программам во многом обеспечивает достижение высокой эффективности обучения.

2. Обзор существующих программных сред для создания компьютерных учебников

Идея обучения с помощью компьютера появилась давно. Первые попытки относятся к концу 50-х годов. В то время уже имелась возможность "общения" человека с компьютером посредством используемого в качестве устройства ввода/вывода телеграфного аппарата-телетайпа. Надлежащим образом запрограммированный компьютер заносит в свою память набираемый человеком на клавиатуре телетайпа текст запроса, а по окончании ввода этого текста производит некоторый анализ его и печатает на телетайпе заранее заготовленный, или конструируемый из подходящих элементов текст ответа. Или проще - компьютер выдает на телетайп текст вопроса или условия задачи и ждет ввода с клавиатуры ответа, который затем сверяется с имеющимся эталоном, чтобы выдать оценку: верно/неверно. С тех пор во всем мире ведутся непрерывные научные поиски решения проблемы эффективного и дешевого способа обучения с помощью компьютера.

Современные методы компьютерного обучения подразумевают активное взаимодействие обучаемого - пользователя с обучающей программой. При этом используется весь спектр возможностей современного персонального компьютера или рабочей станции - текст, изображение, звук, видео, объединяемых в понятие "мультимедиа".

Значительный прогресс в этой области был достигнут в связи с разработкой широкомасштабного проекта World Wide Web (WWW,W3), объединяющего средства "мультимедиа" и современные компьютерные сети. В последнее время эта система стала стандартом "де-факто" для многих информационных приложений, в том числе и обучающих программ. Привлекает также простота технологии разработки продуктов в этой системе - практически нет необходимости в написании программ на алгоритмических языках (используются соответствующие стандартные программы системы WWW), и процесс создания сводится к проектированию и заполнению соответствующих баз данных и знаний. Поэтому, после проведения предварительного анализа компьютерных мультимедийных средств, было решено использовать систему WWW как базисную для разработки компьютерного учебника и других программных средств.

В настоящий момент на мировом рынке имеется большой выбор программных продуктов, позволяющих обеспечивать весь цикл разработки учебных материалов и управления процессом дистанционного обучения.

2.1 Обзор зарубежных средств

Многие крупные фирмы, такие, например, как IBM и Oracle, предлагают, как правило, программное обеспечение в пакете комплексных услуг. Основной акцент делается на использование определенных технических средств и СУБД (Систем Управления Базами Данных), выпускаемых производителями с некоторыми надстройками, обеспечивающими технические возможности построения на их базе процесса дистанционного обучения. Стоимость такого программного обеспечения и его операционные характеристики определяются конкретным заказом.

Фирма Allen представляет систему проектирования и поддержки курсов Quest. Фирма имеет многолетний опыт проектирования систем СВТ (СверхВысоких Технологий) для локальных сетей и лишь в конце 1997 года решилась представить проект для Интернета. Quest - модульная система. Стартовый модуль стоит $995; дополнение до полного Quest - еще столько же. Имеется много других вспомогательных модулей.

В университете штата Айдахо создана система дистанционного обучения через Интернет WebCourse in a Box. Заявляется, что система поддерживает весь жизненный технологический цикл курса дистанционного обучения. WebCourse in a Box существует в двух вариантах - для UNIX (на языке Perl 5.002) и для Windows NT (только для Web-сервера Microsoft IIS). Предпоследняя версия - бесплатная; последняя предоставляется формально бесплатно, но лишь после заключения договора о поддержке (минимальная стоимость $3000). Небольшие эксперименты с бесплатным вариантом WebCourse in a Box показали, что это трудно адаптируемый продукт, находящийся еще на стадии опытной эксплуатации.

В университете штата Нью-Йорк по одному из проектов, финансируемых Министерством обороны, создана инструментальная система поддержки совместной деятельности Tango, на базе которой разработана система дистанционного обучения. Система Tango написана на языке Java, использует специальные протоколы с памятью и имеет надежную подсистему идентификации пользователя.

Virtual-U - система, поддерживающая весь жизненный технологический цикл курса дистанционного обучения, создана небольшой группой сотрудников канадского университета Саймона Фрезера, написана полностью на языке Perl, эксплуатируется многими организациями по всему миру (больше всего, конечно, в Канаде). Некоторые организации даже предлагают любому преподавателю из любого конца Земного шара подготовить и провести курс дистанционного обучения любой дисциплине. Ценовая политика представляет интерес - можно бесплатно попробовать проектирование курса и управление курсом через Интернет, можно получить, установить (требуется операционная система Sun Solaris 2.5) и 5 месяцев эксплуатировать Virtual-U бесплатно для неограниченного числа слушателей. Предполагается, что этого времени должно хватить на разработку и апробацию курса. За дальнейшее использование Virtual-U придется платить. Стоимость зависит от числа обучающихся и, при большом их числе, доходит до $10000.

Консорциум Hyper-G - общественная организация, созданная для применения систем, разработанных на базе серверов протокола Hyper-G для целей дистанционного обучения. Протокол Hyper-G был спроектирован немецкой фирмой HyperWave, судя по публикациям, совместно с университетом г. Грац, Австрия. Сервер HyperWave наиболее полноценно работает со специализированным клиентом протокола Hyper-G. Этот сервер, однако, имеет и встроенный Web-сервер и CGI-шлюз, позволяющий стыковать его с произвольным Web-сервером. Сервер HyperWave работает на многих UNIX-платформах и под Windows NT. Сервер HyperWave - универсальное средство доступа к так называемой “каталогизированной” (т.е. снабженной атрибутами) информации и не предназначен специально для создания систем дистанционного обучения (например, сервер HyperWave используется как технологический в библиотеке г. Грац).

Говоря об инструментальных средствах создания систем дистанционного обучения, распространяемых в России, нельзя обойти вниманием разработку фирмы Lotus Development, активно продвигающей свою систему LearningSpace. К сожалению, демонстрационной версии среды разработки от Lotus нет, как нет и книг, посвященных работе в этой среде. Концептуально процесс подготовки учебного курса в Lotus LearningSpace состоит в формировании документа в развитом редакторе и последующей публикации его, осуществляемой простым перетаскиванием в папку опубликованных документов. Судя по обширной информации рекламного и описательного характера, представленной на сайте фирмы www.lotus.ru, эта развитая среда обладает всеми возможностями для создания полнофункциональных мультимедийных учебных курсов, систем тестирования, администрирования учебным процессом, организации взаимодействия филиалов учебных центров и пр. Особо следует отметить, что системы дистанционного обучения от Lotus изначально ориентированы на функционирование в режиме филиальной структуры и позволяют синхронизировать всю информацию, расположенную на серверах системы, за счет развитой системы репликаций. Надежная система защиты информации, свойственная разработкам Lotus для бизнеса и управления, характерна также и для систем дистанционного образования, построенных с использованием Lotus LearningSpace. Вместе с тем, нельзя не отметить, что системы дистанционного обучения, построенные на ее основе, предполагают обязательную установку базового программного обеспечения - сервера Lotus Domino, без которого невозможна эксплуатация этой информационной среды. Более того, весьма желательно использование и среды разработки приложений Lotus Notes, предоставляющей мощные средства разработчикам с самым различным опытом. Пользователи, обладающие опытом программирования, могут создавать сложные приложения с использованием встроенным в Notes средств программирования. Средства разработки приложений интегрированы в Domino Designer, продукте, который является надежной, интуитивно понятной средой, обеспечивающей возможности использования стандартных средств и языков разработки Web-приложений и доступ к другим корпоративным системам. Перечисленные достоинства комплексного использования продуктов от Lotus имеют очевидную “обратную” сторону - эти продукты нужно иметь, научиться их использовать, обеспечить их профессиональную эксплуатацию, а это требует значительных финансовых и организационных ресурсов. Кроме того, эксперименты и анализ существующих применений LearningSpace показали также определенные проблемы с локализацией, в частности, с поддержкой русского языка. Структура лицензирования LearningSpace следующая: отдельно лицензируется сервер LearningSpace (ориентировочная стоимость около $7000) и обучающиеся (стоимость для каждого пользователя около $40).

2.2 Обзор российских средств

Появляются и отечественные системы, обеспечивающие поддержку всей технологической цепочки создания и сопровождения дистанционных курсов.

В Московском областном центре новых информационных технологий при Московском государственном институте электронной техники разрабатывается система ОРОКС (старое название Web-Tester).

Данная система интересна, прежде всего, тем обстоятельством, что разрабатывается и эксплуатируется высшим учебным заведением и, как следствие, учитывает основные особенности реального учебного процесса в нашей стране. Программный комплекс ОРОКС является многофункциональной сетевой оболочкой для создания учебно-методических модулей и организации обучения с удаленным доступом. Она реализована с помощью WWW CGI-технологии.

С помощью ОРОКСа можно создавать электронные учебно-методические пособия, обучающе-контролирующие системы; системы тестирования и контроля.

Система ОРОКС реализована в виде набора скриптов на языке Perl, имеющих интерфейс с SQL-базой данных. Возможные платформы для работы серверной части системы - практически любой Web-сервер, как UNIX, так и Win32. В версии 2.2 разработчики обеспечили интеграцию с популярным Web-сервером Apache. Рекомендуемые требования к пользовательской части системы вполне приемлемы для отечественного потребителя: минимальные требования - персональный компьютер класса Pentium с оперативной памятью от 16 Мбайт, операционной системой Windows 95/98/NT, браузер Internet Explorer 4.0 либо Netscape Navigator 4.xx. Подразумевается подключение к Интернету или локальной сети.

Учебный модуль в системе ОРОКС формируется из блоков разных типов:

информационные блоки, не требующие ответа: ознакомительные, поясняющие и т.п.;

контролирующие блоки с вводом ответа.

Блоки могут объединяться в линейную или древовидную структуры. Информационные блоки представляют собой гипертексты. Система разработки учебного модуля позволяет в текст любого блока модуля вставлять картинки, файлы, видео и другие активные элементы.

Одним из интересных решений, позволяющих создавать мультимедийные дистанционные курсы, которые могут распространяться также и на компакт-дисках, является система Прометей. Система дистанционного обучения Прометей - программная оболочка, обеспечивающая возможности дистанционного обучения и тестирования слушателей, а также имеющая необходимые средства для управления деятельностью виртуального учебного заведения. Система Прометей имеет модульную архитектуру, поэтому легко расширяется, модернизируется и масштабируется.

В 1999-2000 гг. в рамках проекта “Информационные технологии дистанционного обучения” Санкт-Петербургского отделения института “Открытое общество” (Фонд Сороса) было разработано инструментальное средство для создания мультимедийных учебных курсов, приспособленных для использования в системах дистанционного обучения российского сегмента сети Интернет, - Distance Learning Studio. В основе подхода к дистанционному обучению лежат две взаимодополняющие друг друга части - “Конструктор мультимедийных дистанционных курсов” и “Учебный центр”, выполненные по технологии Web-CD.

“Конструктор мультимедийных дистанционных курсов” - программа для создания преподавателем-непрофессионалом в области компьютерных технологий собственных учебных курсов со всем богатством мультимедиа, размещаемых на CD-ROM. Структура каждого из курсов включает следующие основные разделы:

лекции, представленные в мультимедийной форме;

тесты, предназначенные для самооценки знаний;

словарь, представляющий собой иллюстрированное толкование ключевых терминов учебного материала;

поиск - встроенная система полнотекстового поиска по материалам курса;

связь с Учебным центром, на котором размещаются обновления и дополнения к курсу.

Учебный центр - сервер, выполняющий такие функции, как сопровождение учебных курсов, поддержка регистрации учащихся, расписания обучения, удаленного тестирования обучаемых, электронной зачетки и ведомости успеваемости, обновлений основного мультимедийного учебного материала, проведение дистанционных семинаров и занятий, включая интернет-трансляцию. Предполагается, что Учебные центры могут обмениваться информацией, используя XML-формат документов. В этих форматах, в частности, представлены учебные программы курсов и наборы тестов.

К настоящему моменту функционирует единственный сервер, который является Учебным центром для пилотных учебных курсов, разработанных на этапе пробной эксплуатации Конструктора.

На кафедре «Математическая кибернетика» Московского Авиационного Института уже много лет ведется разработка компьютерных учебников. Так, на кафедре "Математической кибернетики" была разработана универсальная инвариантная к дисциплине оболочка “Ракель”, предназначенная для построения электронных учебников. С использованием “Ракель” был разработан целый цикл электронных учебников, сформировавший электронную библиотеку кафедры, которая содержит более 70 учебников по таким дисциплинам как: “Теория управления”, “Теория оптимизации”, “Дискретная математика”, “Системный анализ”, “Дифференциальные уравнения”, “Линейная алгебра и аналитическая геометрия”.

В прошлом году инструментарий кафедры пополнился ещё одним универсальным средством создания компьютерных учебников - программным продуктом TBBuilder 2. Данная среда позволяет создавать электронные пособия и обучающие курсы по прикладным математическим дисциплинам, содержащие сведения по теории дисциплины, демонстрационные примеры решения типовых задач, модуль решения типовых задач с пошаговым контролем правильности решения, и модуль контроля знаний.

2.3 Анализ различных подходов и решений

На основании технологий для поддержки дистанционного обучения и кратких обзоров зарубежных и отечественных средств создания дистанционных курсов на базе интернет-технологий можно сделать следующие выводы:

Зарубежные средства создания дистанционных курсов - дорогостоящие или подразумевают дорогостоящую техническую поддержку фирмы-производителя системы.

Большинство систем не обеспечивают поддержку всей технологической цепочки создания и сопровождения (так называемого жизненного цикла) дистанционного обучения.

Многие системы ориентированы на использование только интернет-технологии для реализации всех компонентов дистанционного курса.

Многие системы подразумевают, что службы “Учебного центра” могут быть размещены только на серверах фирм-производителей систем, что делает разрабатываемые дистанционные курсы зависимыми от состояния этих фирм и их политики.

В России в настоящее время не существует совершенных систем, обеспечивающих доступ к полнотекстовым информационно-справочным материалам учебного назначения, а соответственно, и возможности обучения через Интернет.

3. Описание компьютерного учебника

В качестве программной среды для создания интернет-учебного пособия «Нелинейная теория устойчивости» был выбран TBBuilder 2, разработанный на кафедре "Математическая кибернетика" МАИ.

3.1 Общие сведения о программной среде TBBuilder 2

Данная программа представляет собой средство преподавателя, позволяющее производить наполнение информационной базы КУ. Программа имеет модульную структуру. Модули вызываются из основного окна программы и представляются на экране в виде отдельных окон. Каждый модуль предназначен для решения конкретной задачи, входящей в один из следующих классов задач:

1. формирование оглавления КУ,

2. внесение в информационную базу КУ текстовой и графической информации,

3. внесение в информационную базу КУ задач с альтернативными ответами,

4. внесение в информационную базу КУ задач с конструируемым ответом из фрагментов формул,

5. внесение в информационную базу КУ задач с конструируемым ответом при помощи текстовой палитры,

6. внесение в информационную базу КУ информации по организации учебного процесса,

7. построение графических изображений,

8. каталогизация графических изображений,

9. предоставление пользователю справочной информации.

Работа с большинством модулей происходит в диалоговом режиме, предусматривающем наличие:

указаний пользователю,

необходимых инструментов,

доступа к справочной информации.

Модульность программы поддерживается стандартным MDI-интерфейсом Windows API, что позволяет обойтись без использования сложных OLE-интерфейсов связи между исполняемыми модулями.

Инструменты, предоставляемые программой, являются визуальными компонентами, предназначенными в первую очередь для того, чтобы процесс внесения материалов в информационную базу КУ происходил на естественном языке пользователя. При этом учитываются особенности учебных материалов по прикладным математическим дисциплинам.

Инструменты позволяют:

производить ввод и верстку текстовой информации,

вставку в текст изображений,

построение графиков функций одного переменного,

построение изображений, представляющих собой математические формулы.

Для того, чтобы инструменты были выдержаны в стандартном стиле таких редакторов, работающих в среде Windows, как MS Word, а также имели поддержку со стороны операционной системы, при их создании использовались OLE-интерфейсы системных средств MSDHTML и MSIE. Исходя из перечня предоставляемых в распоряжение разработчика ресурсов этих средств были созданы классы, позволяющие отображать на экране и редактировать документы HTML на естественном языке пользователя.

Программа была разработана с использованием языка программирования Object Pascal и среды программирования Delphi 5.

В следующей таблице приведены сравнительные характеристики некоторых средств разработки дистанционных курсов.

Таблица 1

Сравнительные характеристики некоторых средств разработки дистанционных курсов

	STELLUS	SunRav	Прометей	Доцент	TeachLab
Наполнение теоретическим материалом	+	+	+	+	+
Возможность вставки изображений в текст	+	+	+	+	+
Работа с теоретическим материалом на естественном языке	-	+	+	+	+
Структурирование теоретического материала	+	+	+	+	+
Взаимосвязанность теоретического и практического материала	+	-	-	-	-
Наполнение практическим материалом	+	+	-	+	+
Структурирование практического материала	-	-	-	-	-
Возможность вставки изображений в практический материал	В качестве иллюстраций	+	-	+	В качестве иллюстраций
Возможность работы с формулами	-	-	-	+	-
Работа с практическим материалом на естественном языке	+	+	-	-	-
Возможность внесения задач с альтернативными ответами	+	+	-	+	+
Возможность внесения задач с конструируемым ответом	-	-	-	С помощью программи-рования	С помощью программи-рования
Наличие примеров с пошаговым решением	-	-	-	-	-
Возможность предпросмотра результата во время работы	-	-	-	-	-
Контроль полноты базы данных	-	+	+	-	-
Наличие графика работ обучаемого	-	-	+	+	-
Наличие указаний пользователю	Во внешнем файле	Во внешнем файле	Во внешнем файле	Во внешнем файле	Во внешнем файле
Работа в режиме диалога	-	-	-	-	-

Из таблицы видно, что в большинстве случаев задача внесения в информационную базу компьютерного учебника практического материала предполагает наличия у пользователя глубоких знаний в работе с компьютером, а иногда даже умения программировать.

Программная среда «TBBuilder 2» позволяет устранить большую часть этих недостатков.

3.2 Наполнение информационной базы компьютерного учебника

Предлагаемая программа «TBBuilder 2» позволяет пользователю, имеющему элементарные навыки в работе с текстовыми и графическими редакторами осуществить наполнение базы знаний и базы данных КУ, который позволяет:

Предоставить студенту сведения по теории дисциплины,

Продемонстрировать решение типовых задач,

Научить в процессе самостоятельной работы решать типовые задачи с пошаговым контролем правильности решения,

Осуществлять рубежный контроль знаний,

Осуществлять ликвидацию пробелов в знаниях,

Осуществить итоговое тестирование знаний.

Оглавление компьютерного учебника должно копировать оглавление учебного пособия по главам и параграфам. Учебник и каждая его глава предваряется введением, которое содержит методические указания по самостоятельной работе в соответствии с особенностями содержания каждой главы. Структура наполнения каждого параграфа является идентичной и включает:

- теорию,

- демонстрационные примеры,

- примеры для обучения с пошаговым контролем,

- примеры для самостоятельного решения с итоговым контролем результата,

- вопросы для рубежного контроля.

Каждая глава заканчивается вопросами для финального контроля знаний.

Если разработчик КУ предусматривает наличие в КУ РГР, контрольных работ, лабораторного практикума, он должен внести эти позиции в оглавление. Оглавление должно включать в себя также предметный указатель и список рекомендованной литературы.

Узел «Оглавление» является в дереве основным. Все создаваемые узлы будут помещаться в дерево в качестве потомков данного. Этими узлами могут быть узлы, представляющие главы, параграфы КУ, а также элементы типовой структуры: теоретические материалы, демонстрационные примеры, примеры для самостоятельного решения и вопросы рубежного и итогового контролей.

Если по каким-либо причинам автор КУ не хочет придерживаться предложенной структуры параграфа или считает необходимым удалить из него какие-либо позиции, то при наполнении соответствующей структуры «TBBuilder 2», он не производит заполнение этих позиций, что автоматически удаляет их из оглавления.

Подготовка наполнения теоретико-справочного модуля КУ ведется по параграфам. Наполнение каждого параграфа составляет совокупность терминальных текстов (представляющие собой текстовые сообщения, несущие в себе законченную информацию), которые отражают содержание параграфа. К терминальным текстам следует отнести сжатое описание постановок задач, стратегии поиска их решения, алгоритмы решения задач, анализ решения задач, определения понятий, теоремы, и д.р. Каждый терминальный текст может быть снабжен по усмотрению пользователя краткими пояснениями и иллюстрациями. Терминальные тексты могут представлять собой фрагменты информации из учебного пособия или могут быть написаны преподавателем. Однако в этом случае преподаватель должен соблюдать единство терминологии и обозначений с учебным пособием. Если основой для терминального текста является учебное пособие, и преподаватель располагает его оригинал-макетом, то для наполнения информационной базы терминальные тексты должны быть выделены в тексте оригинал-макета, а затем перенесены в информационную базу теоретико-справочного модуля. При этом преподаватель вправе дополнить содержание текста пояснениями и примерами.

Объем терминального текста согласно эргономическим рекомендациям не должен превышать объема двух экранов.

Рубежный контроль проводится после каждой главы учебника. На этапе рубежного контроля проверяется знание и понимание темы и умение решать типовые задачи.

При подготовке контрольных вопросов преподаватель должен обеспечить валидность контроля. Форма ответов: выбор одного или нескольких верных ответов, конструируемый ответ, дополнение текста недостающими словами. При подготовке каждого контрольного вопроса преподаватель должен указать:

1. Формулировку вопроса или задания, которое обучаемый должен выполнить;

2. Форму ответа: выбор из альтернативных ответов, конструирование ответа с помощью текстовой палитры;

3. Если преподаватель находит нужным, он может предварить постановку вопроса (или задания) какими либо методическими указаниями;

4. Если в качестве ответа предполагается выбрать несколько верных ответов, то следует сообщить об этом обучаемому фразой: “Укажите все верные ответы”;

5. Указать все верные ответы.

Если же ответ является конструируемым и носит характер математического выражения, то при оформлении такого контрольного вопроса после шага 2 преподаватель должен указать:

1. Формулировку вопроса или задания, которое обучаемый должен выполнить;

2. Форму ответа;

3. Верный ответ;

4. Как разбить верный ответ на фрагменты с учетом знаков для внесения их в палитру, содержащую элементы конструируемого ответа;

5. Хотя бы один неверный элемент, который следует добавить в палитру.

Если преподаватель желает реализовать проверку знания формулировок понятий, теорем, и проч., то он может использовать для ответа текстовую палитру. Для этого при подготовке такого контрольного вопроса следует:

1. записать формулировку вопроса,

2. дать формулировку ответа, выделив в ней слова, которые должны будут быть удалены из конструкции ответа,

3. занести выделенные слова в текстовую палитру,

4. дополнить палитру хотя бы одним неверным словом.

Предметный указатель наполняется автоматически, при этом используется информация, указываемая при создании терминальных текстов. Терминальные тексты сортируются в алфавитном порядке их названий, к каждому прикрепляется ссылка на соответствующий раздел теории.

Работа по оформлению КУ включает в себя следующие действия:

1. занесение в информационную базу КУ полного названия КУ,

2. занесение в информационную базу КУ фамилии автора,

3. занесение в информационную базу КУ года создания КУ,

4. выбора изображения, которое требуется показать обучаемому в начале работы с КУ.

Окно «оформление учебника» разделено на две части, в левой из которых располагается панель ввода информации, а в правой расположена область просмотра, в которую выводится стартовое окно КУ в том виде, в каком оно будет представлено обучаемому.

По завершении работы по внесению материалов в информационную базу КУ следует выполнить следующие действия:

1. убедиться в полноте внесенной информации, отмечая маркером «галочка» узлы дерева в окне «Оглавление учебника», работа с которыми завершена,

2. найти в папке с программой папку, которая была указана на этапе создания информационной базы.

Эта папка содержит информационную базу КУ.

3.3 Инструкция по практическому использованию компьютерного учебника в учебном процессе

Для начала работы с интернет-учебным пособием необходимо подключить компьютер к интернету и зайти на сайт кафедры «Математическая кибернетика» dep805.ru.

Интернет-учебное пособие «Нелинейная теория устойчивости» представляет собой HTML страницу, состоящую из 3-х областей: верхней («вернуться на главную страницу»), левой (содержание) и правой (основное окно).

В левой части Интернет-учебного пособия находится содержание, представляющее собой ссылки на разные разделы и подразделы учебника. Содержание представляет собой простой в использовании список гиперссылок, который можно использовать в любых браузерах. Содержание включает две главы («Классический метод функций Ляпунова в теории устойчивости движения» и «Теоремы об асимптотической устойчивости с двумя функциями Ляпунова»), каждая из которых разбита на параграфы, тестирование и предметный указатель.

В правой части находится главное окно, в котором отображаются текст, формулы и рисунки. Главное окно дополнено средствами навигации: кнопками «В начало», «Назад», «Дальше» и полосами плавной прокрутки, которые позволяют сдвигать текст не более чем на два экрана. Это сделано для удобства усвоения информации.

С любой страницы учебника можно вернуться на главную с помощью ссылки «Нелинейная теория устойчивости», расположенной в верхней области окна.

С целью проверки знаний обучаемого в конце каждой главы создан раздел «тестирование», представляющий собой набор вопросов по изученному материалу. Вопросы включают в себя основные определения, теоремы и леммы, необходимые для понимания материала.

Предметный указатель является последним разделом учебника и позволяет открывать искомые разделы учебника во всплывающем окне. Предметный указатель представляет собой простой в использовании список гиперссылок, расположенных в алфавитном порядке, что существенно облегчает поиск необходимого материала. Алфавитно-предметный указатель включает в себя ключевые определения, теоремы, примеры.