обучения пробует выполнить упражнения на тренажерном комплексе, то есть перейти к выполнению вариантов использования, связанных с выполнением упражнения.

При выполнении варианта использования «Прохождение практического модуля» «Обучаемый» пытается выполнить предложенное упражнение на тренажерном комплексе. По окончании выполнения «Преподаватель» переходит к выполнению варианта использования «Принятие решений и формирование управленческих воздействий в процессе и завершении выполнения упражнения, а также после выполнения очередного упражнения».

При выполнении варианта использования «Автоматическое вычисление отдельных показателей качества» происходит автоматическое вычисление компьютерным тренажером показателей качества выполнения упражнения. Например, время выполнения, точность установки груза и т.п. При выполнении варианта использования «Принятие решений и формирование управляющих воздействий в процессе и завершении выполнения упражнения, а также после выполнения очередного упражнения» «Преподаватель», используя показатели качества для каждого упражнения принимает решение об качестве освоения «Обучаемым». Если «Обучаемый» показал хорошие результаты, то принимается решение о переходе к следующему упражнению или о завершении практического этапа обучения. В случае неуспешного прохождения упражнения принимается решение о необходимости повторить выполнение упражнения для закрепления умения или навыка.

1.3.1 Недостатки существующей версии компьютерного тренажера

Недостатки процесса обучения оператора перегрузочной машины на компьютерном тренажере:

-в настоящее время тренажер не является автоматизированной обучающей системой, поскольку все показатели запрограммированы и не могут изменяться инструктором в настройках системы;

-принятие решений и формирование управленческих воздействий почти не автоматизировано, оно возложено в основном на инструктора. Автоматически вычисляются только отдельные показатели качества в процессе выполнения упражнения;

-обработка результатов вычисления показателей качества не производится. Интегральный показатель качества выполнения упражнения не вычисляется;

-отсутствует контроль знаний крановщика в форме тестирования.



1.4 Выводы

В данном разделе были проанализированы методы и средства обучения операторов перегрузочных машин, рассмотрена возможность их автоматизации с использованием разрабатываемых компьютерных тренажерных комплексов. Рассмотрена существующая на кафедре ИТАС версия компьютерного тренажерного комплекса, выявлены её недостатки.

По результатам анализа, проведенного в данном разделе, было принято решение о совершенствовании подсистемы автоматизированного обучения КТК с целью устранения выявленных недостатков существующей версии КТК.



2. Разработка моделей программного и информационного обеспечения подсистемы автоматизированного обучения компьютерного тренажерного комплекса

На рисунке 2.1 в обобщенном виде изображена архитектура созданного КТК.

Рисунок 2.1 Архитектура КТК оператора перегрузочной машины

Автоматизированное рабочее место (АРМ) обучаемого для прохождения практического этапа обучения, направленного на приобретение умений и навыков, представляет собой главным образом персональный компьютер с необходимым программным обеспечением. К этому компьютеру предъявляются повышенные требования для возможности создания высокого уровня подобия синтезируемого изображения и звукового окружения реальному перегрузочному процессу. Важной составляющей данного АРМ обучаемого являются имитаторы пультов управления реальной перегрузочной машиной.

АРМ обучаемого для прохождения теоретического этапа обучения, направленного на приобретение знаний, представляет собой персональный компьютер с установленным программным обеспечением, позволяющим изучать требуемый теоретических материал с использованием электронного учебника, а также осуществлять контроль знаний обучаемого в форме тестирования.

АРМ инструктора также представляет собой персональный компьютер с программным обеспечением, позволяющим устанавливать все необходимые начальные настройки (т.е. осуществлять этап планирования как составляющую процесса управления, описанный в главе 1), а также контролировать ход выполнения упражнений и просматривать результаты процесса обучения.

АРМ администратора предоставляет возможность регистрации новых пользователей в системе, занесения информации о существующих группах обучаемых и самих обучаемых в этих группах.

База данных хранит в систематизированном виде всю необходимую для организации эффективного процесса обучения информацию, главным образом начальные настройки и все результаты процесса обучения. Тем самым, база данных обеспечивает взаимосвязь между всеми описанными выше АРМ.

По результатам анализа недостатков существующего КТК оператора перегрузочной машины, был разработан комплекс моделей функционального и информационного обеспечения последующей версии КТК. Рассмотрим модели функционального и информационного обеспечения архитектуры КТК.

1.1 Функциональная модель АРМ администратора

В данном разделе описана работа администратора КТК в АРМ. Диаграмма вариантов использования показана на рисунке 2.2 и представляет собой функциональную модель работы администратора в АРМ.



Рисунок 2.2 Администрирование пользователей АРМ

При выполнении варианта использования «Администрирование учетных записей пользователей» администратор может добавлять новые учетные записи в базу данных КТК, редактировать данные существующих в КТК учетных записей. Администратор может закрыть доступ к АРМам КТК тому или иному пользователю по тем или иным причинам, таких как, например, окончание обучения, нарушение правил работы и пр. (Вариант использования «Активация | Деактивация учетной записи пользователя»).

При выполнении варианта использования «Администрирование групп обучаемых» администратор может добавлять новые группы обучаемых в базу данных КТК и редактировать данные существующих в КТК учетных групп обучаемых.

Администратор может задавать учетным записям пользователей принадлежность к той или иной группе (Вариант использования «Редактирование данных существующей учетной записи пользователя»). По умолчанию в АРМ существуют две служебных группы пользователей:

-администраторы;

-преподаватели.

Членство в группе «Администраторы» дает пользователю доступ к функционалу АРМ администратора.

Членство в группе «Преподаватели» дает пользователю доступ к функционалу АРМ инструктора.

Все введенные администратором другие группы пользователей считаются группами «Обучаемых», членство в этих группах дает пользователю доступ к АРМ обучаемого.

Диаграмма деятельности работы администратора в АРМ представлена на рисунке Г.1(Приложение Г).

1.2 Функциональная модель АРМ обучаемого для теоретического этапа обучения

В данном разделе описываются процессы прохождения обучаемым теоретического этапа обучения. Описание процесса реализовано при помощи диаграмм вариантов использования. Функциональная модель процесса обучения с использованием АРМ для теоретического этапа в виде диаграммы вариантов использования представлена на рисунке 2.3.



Рисунок 2.3 Прохождение теоретического этапа обучения

Теоретический этап обучения - последовательное прохождения теоретических учебных модулей, каждый из которых направлен на изучение определенного вида профессиональных знаний (т.е. определенной темы). Так, например, видами профессиональных знаний могут быть:

-знания об устройстве перегрузочной машины;

-знания о технике безопасности при работе на перегрузочной машине;

-знания об условиях эксплуатации перегрузочной машины и т.д.

Количество учебных модулей и их содержание определяется преподавателем, наполняющим АОС информацией.

Алгоритм прохождения обучаемым теоретического этапа обучения представлен на рисунке 2.4.

Каждому теоретическому модулю соответствует фрагмент электронного учебника (вариант использования «Прохождение теоретического этапа обучения»), в котором содержится необходимая теоретическая информация для обучаемого.

Рисунок 2.4 Алгоритм прохождения обучаемым теоретического этапа обучения

Согласно [10] освоение очередного модуля (вариант использования «Прохождение теоретического модуля») начинается только после успешного освоения предыдущего модуля. Успешность освоения определяется посредством контроля знаний в форме тестирования.

Перед началом тестирования подсистема для данной попытки прохождения устанавливает параметры, введенные преподавателем. На основании их подсистема решает сколько вопросов необходимо задать «Обучаемому», когда закончить тестирование и сообщить об успешности/неуспешности прохождения тестирования.

При выполнении варианта использования «Попытка прохождения теста» после изучения материала по теоретическому модулю «Обучаемому» выдаются вопросы теоретического модуля, занесенные преподавателем в базу данных КТК, и он должен дать на них правильный ответ. По окончании выполнения теста по теме теоретического модуля формируется сообщение об успешности прохождения тестирования.

Если «Обучаемый» проходит тест по заданному теоретическому модулю в первый раз, то подсистема при выборе вопроса использует основное множество, то есть все введенные в базу данных вопросы по заданному теоретическому модулю.

Если же данная попытка прохождения является повторной, то подсистема использует сначала основное множество вопросов, после того как закончится основное множество подсистема использует дополнительное множество (вопросы, которые задавались подсистемой в предыдущих попытках прохождения теста).

Выбор вопроса происходит случайным образом. После выбора вопроса подсистемой, он переноситься во множество использованных и уже не может быть использован в данной попытке.

После выбора обучаемым варианта ответа вычисляются показатели качества освоения темы теоретического модуля (текущий коэффициент освоения, текущая вероятность угадывания последовательности заданий), на основании которых принимается решение об окончании тестирования и его успешности. Методика расчета описана в [10].

Обучаемый должен совершить столько попыток прохождения теста по модулю, пока тест не будет пройден успешно. Алгоритм прохождения теста обучаемым представлен на рисунке 2.5.

После успешного прохождения всех теоретических модулей начинается практический этап обучения.

Диаграмма деятельности работы обучаемого в АРМ для теоретического этапа представлена на рисунке В.1 (Приложение В).

1.3 Функциональная модель АРМ обучаемого для практического этапа обучения

В данном разделе описывается процесс прохождения обучаемым практического этапа обучения. Описание процесса реализовано при помощи диаграмм вариантов использования. Диаграмма вариантов использования практического этапа обучения изображена на рисунке 2.6 и представляетсобойфункциональнуюмодельпроцессаобучениядляпрактического этапа.



Рисунок 2.5 Алгоритм прохождения теста обучаемым



Рисунок 2.6 Диаграмма вариантов использования работы обучаемого с АРМ для практического этапа обучения

Аналогично существующему КТК практический этап обучения будет представлять собой последовательное выполнение обучаемым упражнений (комплексов упражнений). Отличие заключается в том, что внедрение подсистемы позволит по окончании выполнения упражнения расчитать комплексный коэффициент освоения упражнения на основании весовых коэффициентов показателей качества, расчитанных с использованием АРМ инструктора до начала обучения.

1.4 Функциональная модель АРМ инструктора

В данном разделе описываются процессы, выполняемые инструктором при работе в АРМ.

На рисунке 2.7 показана функциональная модель работы инструктора в АРМ в виде диаграммы вариантов использования.

Вариант использования «Составление списка вопросов по темам» начинается c ввода «Преподавателем» перечня теоретических модулей, необходимых для освоения «Обучаемыми». Для каждого теоретического модуля формируется множество вопросов (c вариантами ответов и указанием правильного), которые будут использованы при попытке пройти тестирование обучаемым. По окончании ввода множества вопросов теоретических модулей «Преподаватель» должен задать соответствие между группами «Обучаемых» и списком теоретических модулей, тут же задается их последовательность, с которой должно производиться тестирование.

Рисунок 2.7 Диаграмма вариантов использования работы инструктора в АРМ

«Преподаватель» в ходе выполнения данного варианта использования «Установка параметров тестирования» устанавливает параметры, по которым будет оценивать успешность прохождения теста обучаемым. Преподаватель может установить значения таких параметров, как:

- Последовательность прохождения теоретических модулей - последовательность, в которой «Обучаемый» будет проходить теоретические модули и, соответственно, тестирование по ним.

- Допустимый (пороговый) коэффициент освоения теоретического модуля - коэффициент, определяющий на какое минимальное количество вопросов обучаемый должен ответить правильно, чтобы попытка прохождения тестирования была засчитана успешной.

- Допустимая (пороговая) вероятность угадывания обучаемым последовательности заданий (вопросов в тесте) - коэффициент, до которого должная снизиться вероятность угадывания последовательности тестовых заданий и прекратить выдачу новых вопросов из множества доступных.

- Время на обдумывание варианта ответа - максимальная продолжительность времени, умноженное на количество вариантов ответов в тестовом задании, которое возможно потратить до выбора правильного варианта ответа и его подтверждения. То есть по его истечении ответ, полученный от «Обучаемого», не будет считаться правильным.

«Преподаватель» после попытки прохождения теста «Обучаемым» имеет возможность просмотреть её результаты, выполняя вариант использования «Просмотр результатов прохождения тестирования обучаемым». В результате выполнения данного варианта использования «Преподаватель» получает детальный отчет о попытке прохождения теста, который включает:

-ФИО «Обучаемого»;

-название теоретического модуля;

-результат попытки (Успешно/Неуспешно);

-текущий коэффициент освоения;

-допустимый (пороговый) коэффициент освоения;

-текущая вероятность угадывания последовательности заданий;

-допустимая вероятность угадывания последовательности заданий;

-вопросы из множества вопросов, автоматически заданные системой (с указанием правильных и выбранных ответов, времени, затраченного на выбор ответа).

Диаграмма деятельности для работы преподавателя в АРМ для теоретического этапа обучения операторов представлена на рисунке А.1 (Приложение А).

При выполнении варианта использования «Установка необходимых показателей до начала обучения» «Преподаватель» вводит значения параметров, которые необходимы для начала прохождения практического этапа обучения и оценки его эффективности. Данный вариант использования подробнее представлен на рисунке 2.8.

«Преподаватель», выполняя вариант использования «Настройки для всей группы обучаемых», управляет настройками, распространяемыми на выбранную группу обучаемых. При выполнении данного варианта использования «Преподаватель» может выбирать, какие упражнения должна изучать выбранная группа, а какие нет.

«Преподаватель» может вводить и редактировать значения коэффициента освоения, сопоставленные с «отличным», «хорошим», «удовлетворительным», «неудовлетворительным» значениями показателя качества.

Также «Преподаватель» может вводить и редактировать значения параметров, которые могут быть использованы как значения по умолчанию для любого упражнения:

-Итоговое пороговое значение интегрального показателя качества выполнения упражнения (комплексного коэффициента освоения);

-Рекомендуемое количество попыток выполнения упражнения для освоения умения;

-Допустимое отклонение от итогового порогового значения комплексного коэффициента освоения;

-Пороговое значение коэффициента освоения показателя качества (по умолчанию для любого показателя качества любого упражнения).



Рисунок 2.8 Подробная диаграмма варианта использования «Установка необходимых параметров»

При выполнении варианта использования «Установка параметров для выполнения упражнения» «Преподаватель» может вводить и редактировать параметры, применяемые для конкретного упражнения:

-Итоговое пороговое значение интегрального показателя качества выполнения упражнения (комплексного коэффициента освоения);

-Рекомендуемое количество попыток выполнения упражнения для освоения умения;

-Требуемое количество попыток выполнения упражнения для освоения навыка;

-Пороговое значение коэффициента освоения показателя качества (по умолчанию для любого показателя качества данного упражнения). Также есть возможность редактирования подсказок и предупреждений, предоставляемых обучаемому в зависимости от достигнутого значения комплексного коэффициента освоения.

Данный вариант использования включает в себя выполнение вариантов использования «Ввод информации о группах показателей качества»,

«Расчет весового показателя качества», «Расчет приоритета показателя качества», «Установка параметров, соответствующих показателю качества».

При выполнении варианта использования «Ввод информации о группах показателей качества» «Преподаватель» может вводить и редактировать группы показателей качества.

После выполнения варианта использования «Автоматический расчет весовых коэффициентов показателей качества» «Преподаватель» получает значения т.н. весовых коэффициентов показателей качества выполнения упражнения. Так как при расчете весовых коэффициентов показателей качества необходимо учитывать множество критериев, то будет использоваться метод анализа иерархий, далее МАИ.

МАИ представляет собой систематическую процедуру для иерархического представления элементов, которые определяют суть задачи принятия решений, и состоит из следующих этапов:

-Определение цели, альтернативных вариантов достижения цели;

-Построение качественной модели проблемы в виде иерархии c определением критериев для оценки качества альтернатив;

-Определение приоритетов всех элементов иерархии с использованием метода парных сравнений;

-Синтез глобальных приоритетов альтернатив путем линейной свертки приоритетов элементов на иерархии;

-Проверка суждений на согласованность;

-Принятие решения на основе полученных результатов [11].

Целью в данном случае является определение весов показателей качества, т.е. значимость (важность) показателей в упражнении. Рассчитанные веса (весовые коэффициенты) показателей качества будут в дальнейшем использованы для вычисления комплексного коэффициента освоения при выполнении упражнения на КТК.

Перед тем как начать расчет «Преподаватель» определяет список критериев, по которым будут сравниваться показатели качества для определения весов с использованием МАИ .

Преподаватель может добавлять, удалять, изменять отдельные критерии, аналогично «Преподаватель» имеет возможность добавлять показатели качества (либо группы показателей качества), которые будут оцениваться по этому критерию. Показатели качества - это альтернативы в теории МАИ. Диаграмма деятельности для алгоритма МАИ представлена на рисунке 2.9[12].

Рисунок 2.9 Диаграмма деятельности для алгоритма МАИ

По окончании формирования списков критериев и показателей качества «Преподаватель» получает возможность заполнить т.н. матрицы попарного сравнения.

Изначально составляется матрица для попарного сравнения критериев на втором уровне по отношению к общей цели (выполнение упражнения), расположенной на первом уровне. Аналогичные матрицы строятся для попарных сравнений каждой альтернативы на третьем уровне по отношению к критериям второго уровня.

Матрица попарного сравнения критериев - обратно симметричная матрица, в качестве названий строк и столбцов которой находятся названия критериев, а общая цель (выполнение упражнения) помещена в вершину. Главная диагональ матрицы заполняется автоматически единицами (поскольку при сравнении элемента с самим собой имеет место равная значимость). Клетки матрицы заполняются в соответствии с субъективными суждениями лиц, принимающих решение (например, мастером производственного обучения). Для проведения парных сравнений критериев и альтернатив в методе анализа иерархий используется специальная шкала [13].

Матрицы попарного сравнения показателей качества - обратно симметричные матрицы, в качестве названий строк и столбцов которых представлены показатели качества (либо группы показателей качества). Главная диагональ заполняется единицами.

Затем следует этап, называемый синтезом приоритетов, в ходе которого на основе полученных матриц парных сравнений формируется набор локальных приоритетов, выражающих относительное влияние элементов на элемент, расположенный на уровне выше. Т.е. вычисляются локальные приоритеты альтернатив относительно каждого из критериев и локальные приоритеты критериев относительно общей цели. С методикой расчета можно ознакомиться в[12].

Проверка суждений на согласованность - расчет отклонения. Сравнение результата с установленными пределами и принятие решения о необходимости пересмотреть матрицы и уточнить их значения.

Последним этапом МАИ является синтез альтернатив, на котором вычисляются общие приоритеты альтернатив. Полученные на этапе синтеза альтернатив результаты и будут являться весовыми коэффициентами для соответствующих показателей качества.

Так же как и в варианте использования «Автоматический расчет весовых коэффициентов показателей качества» в варианте использования «Автоматический расчет приоритетов показателей качества» применяется метод анализа иерархий.

«Преподаватель» составляет список критериев для попарного сравнения, списки показателей качества для сравнения относительно критериев.

По окончании формирования списков процесс расчета аналогичен варианту использования «Автоматический расчет весовых коэффициентов показателей качества».

Отличие данных процессов лишь в том, что по окончании расчета мы получаем приоритеты показателей качества.

Выполняя вариант использования «Установка параметров, соответствующих показателей качества», «Преподаватель» может выбирать группу показателей качества, к которой относиться данный показатель качества. Доступно для ввода значение пороговое значение коэффициента освоения показателя качества.

Также «Преподаватель» может вводить и редактировать левые и правые границы интервалов, сопоставленных с «отличным», «хорошим», «удовлетворительным», «неудовлетворительным» значениями выбранного показателя качества.

Есть возможность ввода допустимого отклонения от правой и (или) левой границ интервалов.

Диаграмма деятельности для работы преподавателя в АРМ для практического этапа обучения представлена на рисунке Б.1 (Приложение Б).



1.5 Логическое моделирование базы данных

Логический уровень - это абстрактный взгляд на данные, на нем данные представляются так, как выглядят в реальном мире, и могут называться так, как они называются в реальном мире. Логическая модель данных является универсальной и никак не связана с конкретной реализацией СУБД. Основными компонентами такой модели являются сущности, их атрибуты и связи между ними. Логическая модель базы данных представлена на рисунке Д.1 (Приложение Д).

1.5.1 Сущность «Пользователь»

Сущность хранит информацию об учетных записях пользователей АРМ. Атрибуты:

- ИД пользователя (Первичный ключ - порядковый номер учетной записи в АРМ, целое число, так как заранее неизвестно количество пользователей АРМ, выделим ограничение в 4 знака;

- Логин - имя для прохождения аутентификации в АРМ, строка, максимальная длина 10символов;

- Пароль - контрольное слово для прохождения аутентификации в АРМ, строка, максимальная длина 20 символов;

- Активирован - возможность использовать АРМ данного пользователя, булево;

- Фамилия - фамилия пользователя АРМ, строка, максимальная длина 20 символов, так как возможны двойные фамилии;

- Имя - имя пользователя АРМ, строка, максимальная длина 20 символов;

- Отчество - отчество пользователя АРМ, строка, максимальная длина 20символов.



1.5.2 Сущность «Группа пользователей»

Содержит информацию о группах пользователей, на основании данной таблицы проводится процесс авторизации АРМ. Атрибуты:

- ИД группы пользователей (Первичный ключ) - порядковый номер группы в АРМ, целое, ограничение 3 знака;

- Наименование - название группы пользователей, строка, 10 символов (используются сокращения).

1.5.3 Сущность «Связь Группа-Пользователь»

Содержит информацию о принадлежности того или иного пользователя к той или иной группе. Атрибуты:

- ИД пользователя (Первичный ключ, внешний ключ) - идентификатор пользователя в АРМ, целое, ограничение 4 знака;

- ИД группы (Первичный ключ, внешний ключ) - идентификатор группы в АРМ, целое, ограничение 3 знака.

1.5.4 Сущность «Теоретический модуль»

Содержит список теоретических модулей, по которым будет проводиться тестирование.

- ИД теоретического модуля (Первичный ключ) - идентификатор теоретического модуля, целое ограничение 3 знака;

- Наименование - название теоретического модуля, строка, ограничение 50символов.

1.5.5 Сущность «Тестовое задание»

Содержит список вопросов того или иного теоретического модуля.

- ИД тестового задания (Первичный ключ) - порядковый номер тестового задания, целое, ограничение 4 знака;

- Формулировка - формулировка тестового задания, строка, ограничение 100символов;

- ИД теоретического модуля (Внешний ключ) - ссылка на таблицу «Теоретический модуль», целое, 3 знака;

- Рисунок - иллюстрация к тестовому заданию, путь до иллюстрации в файловой системе, строка, ограничение 255 символов.

1.5.6 Сущность «Вариант ответа»

Содержит список вариантов ответа к тестовому заданию.

- ИД варианта ответа (Первичный ключ) - идентификатор варианта ответа, целое, ограничение 5 знаков;

- Формулировка - формулировка варианта ответа, строка, ограничение 50символов;

- Правильность - свойство, указывающее на правильность данного варианта, булево;

- ИД вопроса (Внешний ключ) - ссылка на таблицу «Тестовое задание», целое, ограничение 4знака.

1.5.7 Сущность «Параметры тестирования»

Содержит настройки тестирования, введенные «Преподавателем».

- ИД параметров (Первичный ключ) - идентификатор параметров, целое, ограничение 3знака;

- Пороговый КО - Пороговый коэффициент освоения, дробное, возможные значения от 0 до 1, точность 3 знака;

- Допустимая ВУ - Допустимая вероятность угадывания последовательности заданий, дробное, возможные значения от 0 до 1, точность 3 знака;

- Время На Одумыван - Время, которое можно потратить на обдумывание варианта ответа и выбора правильного.



1.5.8 Сущность «Связь Группа-Теор. модуль»

Содержит связи между группами «Обучаемых» и теоретическими модулями, которые им необходимо освоить. Атрибуты:

- ИД Группы (Первичный ключ, внешний ключ) - ссылка на таблицу

«Группы пользователей», целое, ограничение 3 знака;

- ИД Модуля (Первичный ключ, внешний ключ) - ссылка на таблицу

«Теоретические модули», целое, ограничение 3 знака.

1.5.9 Сущность «Тестирование»

Содержит попытки прохождения теста по теоретическим модулям.

Атрибуты:

- ИД теста (Первичный ключ) - порядковый номер попытки тестирования, целое, ограничение 5 знаков;

- ИД Пользователя (Внешний ключ) - ссылка на таблицу «Пользователь», целое, ограничение 4 знака;

- ИД Модуля (Внешний ключ) - ссылка на таблицу «Теоретический модуль», целое ограничение, 3 знака;

- ИД Параметров (Внешний ключ) - ссылка на таблицу «Параметры тестирования», целое, 3знака;

- КО - коэффициент освоения для попытки прохождения теоретического модуля, дробное, возможные значения от 0 до 1;

- КУ - вероятность угадывания последовательности заданий для текущей попытки, дробное, возможные значения от 0 до 1;

- Завершенность - указывает на то, завершена ли попытка прохождения теста, булево;

- Успешность - успешна ли данная попытка, булево.



1.5.10 Сущность «Вопрос теста»

Содержит вопросы, которые были заданы «Обучаемому» при той или иной попытке прохождения теста. Атрибуты:

- ИД Пользователя (Первичный ключ, Внешний ключ) - ссылка на таблицу «Пользователь», целое, ограничение 4 знака;

- ИД Модуля (Первичный ключ, Внешний ключ) - ссылка на таблицу

«Теоретический модуль», целое, ограничение 3 знака;

- ИД Теста (Первичный ключ, Внешний ключ) - ссылка на таблицу «Тестирование», целое ограничение, 5знаков;

- Время постановки вопроса - момент времени, когда вопрос был выведен «Обучаемому»;

- Время подтверждения ответа - момент времени, в который был подтвержден ответ «Обучаемого»;

- ИД ответа (Внешний ключ) - идентификатор варианта ответа, который выбрал «Обучаемый», целое, 5 знаков;

- Текущая ВУ - текущая вероятность угадывания последовательности задания,дробное,возможныезначенияот0до1,точность5знаков.

1.5.11 Сущность «Упражнение»

Содержит упражнения, которые необходимо выполнить на тренажерном комплексе. Атрибуты:

- ИД упражнения (Первичный ключ) - порядковый номер упражнения, целое 3знака;

- Название - название упражнения, строка, 30 символов;

- Описание - формулировка задания упражнения, строка, 100 символов;

- Компл. коэф. освоения - итоговое пороговое значение интегрального показателя качества выполнения упражнения (комплексного коэффициента освоения),дробноеот0до1,точность3знака;

- Рекоменд. кол. попыток - рекомендуемое количество попыток выполненияупражнениядляосвоенияумения,целое,ограничение2знака;

- Требуемое кол. попыток - требуемое количество попыток выполнения упражнения для освоения навыка, целое, ограничение 2 знака;

- Допуст. отклонение - допустимое отклонение от итогового порогового значения комплексного коэффициента освоения, дробное от 0 до 1, точность 3знака;

- Порог. коэф. освоения ПК - пороговое значение коэффициента освоенияпоказателякачества,дробноеот0до1,точность3знака.

1.5.12 Сущность «Связь Группа-Упражнение»

Содержит установки соответствия между группами «Обучаемых» и упражнениями, которые им необходимо освоить.

- ИД Группы (Первичный ключ, Внешний ключ) - ссылка на таблицу «Группы пользователей», целое, ограничение 3 знака;

- ИД Упражнения (Первичный ключ, Внешний ключ) - ссылка на таблицу «Упражнение», целое, ограничение 3 знака.

1.5.13 Сущность «Критерий»

Содержит критерии для сравнения показателей качества с использованием МАИ. Атрибуты:

- ИД критерия (Первичный ключ) - порядковый номер критерия в АРМ, целое, ограничение3;

- Название - название критерия, строка, 30 символов;

- ИД Упражнения (Внешний ключ) - ссылка на таблицу «Упражнения», целое, ограничение 3знака.



1.5.14 Сущность «Показатель качества»

Содержит показатели качества выполнения упражнения. Атрибуты:

- ИД показателя качества (Первичный ключ) - порядковый номер показателя качества, целое, ограничение 3 знака;

- Название - название показателя качества, строка 30 символов;

- Пороговое зн. КО ПК - пороговое значение коэффициента освоения показателя качества, дробное, принимает значение от 0 до 1, точность 3знака;

- ИД группы ПК (Внешний ключ) - ссылка на таблицу «Группа ПК», целое, ограничение 2знака;

- Ед. изм. - единицы измерения показателя качества, строка, ограничение 10символов;

- Отл. мин. - оценке «отлично» соответствует значение показателя качества от данного значения, вещественное;

- Отл. макс. - оценке «отлично» соответствует значение показателя качества до данного значения, вещественное;

- Хор. мин. - оценке «хорошо» соответствует значение показателя качества от данного значения, вещественное;

- Хор. макс. - оценке «хорошо» соответствует значение показателя качества до данного значения, вещественное;

- Удовл. мин. - оценке «удовлетворительно» соответствует значение показателя качества от данного значения, вещественное;

- Удовл. макс. - оценке «удовлетворительно» соответствует значение показателя качества до данного значения, вещественное;

- неудовл. мин. - оценке «неудовлетворительно» соответствует значение показателя качества от данного значения, вещественное;

- неудовл. макс. - оценке «неудовлетворительно» соответствует значение показателя качества до данного значения, вещественное;

- Возможное отклонение - Возможное отклонение от введенных значений оценок, целое, ограничение 2 знака;

- Весовой коэффициент - весовой коэффициент показателя качества, дробное, точность 2знака;

- Приоритет - приоритет показателя качества, дробное, точность 2 знака.

1.5.15 Сущность «Связь ПК-Критерий»

Содержит соответствие между показателем качества и критерием. Атрибуты:

- ИД ПК (Первичный ключ, Внешний ключ) - ссылка на таблицу «Показатель качества», целое, ограничение 3 знака;

- ИД Критерия (Первичный ключ, Внешний ключ)-ссылка на таблицу

«Критерий», целое, ограничение 3 знака.

1.5.16 Сущность «Группа ПК»

Содержит группы показателей качества.

- ИД группы показателей качества (Первичный ключ) - порядковый номер группы в АРМ, целое, ограничение 2 знака;

- Название - Название группы показателя качества, строка, 30 символов.

1.5.17 Сущность «Связь Группа ПК - Критерий»

Содержит соответствие между группой и критерием.

- ИД Группы (Первичный ключ, внешний ключ) - ссылка на таблицу «Группа ПК», целое, ограничение 2 знака;

- ИД Критерия (Первичный ключ, внешний ключ)-ссылка на таблицу «Критерий», целое, ограничение 3 знака.



1.5.18 Сущность «Предупреждение»

Содержит предупреждения и подсказки, предоставляемых «Обучаемому» в зависимости от достигнутого значения комплексного коэффициента освоения. Атрибуты

- ИД предупреждения (Первичный ключ) - порядковый номер предупреждения, целое, ограничение 3 знака;

- Формулировка - Формулировка подсказки или предупреждения, строка 50символов.

2.6 Выводы

В данном разделе был разработан комплекс моделей информационного обеспечения следующей версии КТК:

-алгоритм прохождения обучаемым теоретического этапа обучения;

-алгоритм прохождения обучаемым практического этапа обучения;

-алгоритм установки преподавателем начальных настроек обучения, автоматического расчета весовых коэффициентов показателей качества выполнения упражнения;

-логическая модель базы данных.



3. Выбор средств разработки подсистемы автоматизированного обучения компьютерного тренажерного комплекса. Проектирование пользовательских интерфейсов.

3.1 Обоснование выбора технологий разработки

При выборе архитектуры будущей системы была выбран вариант реализации «Многоуровневые системы клиент-сервер». Преимущества данного вида построения систем по сравнению с архитектурой «Клиент-сервер» указаны в [14]. Разрабатываемая подсистема состоит из трех частей:

-база данных;

-web-сервер;

-web-браузер.

Уровень хранения данных (уровень базы данных), хранит информацию о пользователях системы, о принадлежности к группам (преподаватели, обучаемые), о тестах, необходимых для подтверждения знаний, информацию о практических упражнениях. Следит за сохранением целостности данных.

На уровень Web-сервер возложена функции логики работы системы проверки знаний и умений.

Уровень браузер предоставляет пользователю графический интерфейс (GUI), посредствам которого происходит взаимодействие с системой.

Аналоги разрабатываемой системы существуют, наиболее известными на российском рынке продуктами являются системы тестирования: «OpenTest»,«Indigo». С основными возможностями данных программ можно ознакомится в прилагаемой документации [15,16].Однако использование этих программ является нецелесообразным, так как данные системы предназначены исключительно для автоматизированного проведения тестов (то есть не предоставляют помощи преподавателю в принятии решения), являются программными продуктами с закрытым исходным кодом и условия их лицензии не позволяют изменять исходный код для расширения функционала.

При выборе технологий разработки следует учитывать:

-технологии (в том числе и языки программирования) развиваются быстрыми темпами и со временем могут устареть(то есть перестать поддерживаться новым оборудованием, операционными системами), поэтому следует выбирать популярные и поддерживаемые разработчиками технологии;

-средства разработки имеют разные варианты распространения: свободно распространяемые, условно бесплатные и коммерческие. Условия лицензирования последних, как правило, включает в себя как сам программный продукт, так и его обновление и техническую поддержку, поэтому следует заранее прогнозировать возможные неполадки при использовании выбранных средств и возможные пути их устранения;

-языки программирования различаются в плане функциональности и сложности, использовании разных парадигм программирования, поэтому следует выбирать язык программирования, поддерживающий парадигму, используемую при проектировании разрабатываемой системы.

Сложность администрирования/сопровождения программных продуктов, созданных с использованием. В последнее время большинство систем разрабатывается для web (имеет web-интерфейс), так как такой подход имеет положительные стороны:

-Архитектура «Клиент-сервер», обеспечивающая «кроссплатформенность»

-Нет необходимости в установке/настройке программ на каждом рабочем месте;

-Простота в обновлении/сопровождении;

-Возможность масштабирования как горизонтальная, так и вертикальная[17].



3.1.1 Выбор языка программирования

При создании большинства web-приложений используются языки программирования: php, python, ruby, perl. Сравним данные языки по следующим показателям:

-сложность языка, влияющая на длительность изучения языка программирования или технологии;

-размеры сообщества программистов, использующих данный язык. Критерий особенно важен для opensource технологий, так как в большинстве случаев отсутствует техническая поддержка;

-наличие библиотек управления пакетами (библиотеками, фреймворками и пр.);

-наличие библиотек коммуникаций, использование которых позволяет взаимодействовать с базами данных под управлением различных СУБД;

-независимость от используемой платформы;

-скорость работы программ, использующих язык, технологию.

3.1.2 Библиотеки управления пакетами

Не маловажным фактором при разработке нового web-приложения является сокращение времени разработки, которое происходит за счет использования уже готовых решений, написанных сообществом программистов и решающих многие рутинные задачи (Для примера можно привести реализации подсистемы авторизации, подсистемы графического интерфейса для взаимодействия с базой данных). Однако при использовании сторонних библиотек возникают проблемы с их установкой, обновлением, зависимостями от других библиотек.

Наличие менеджера пакетов во многом решает эти проблемы. Для PHP существует менеджер пакетов Composer, для Python - pip, Ruby - RubyGems. При использовании Perl за установку, настройку и обновление сторонних библиотек отвечает разработчик.



3.1.3 Библиотеки взаимодействия с базами данных

Язык PHP имеют самую развитую поддержку различных СУБД из рассматриваемых языков программирования. Самое распространенное расширение языка для работы с базами данных в PHP - PDO, позволяет использовать при разработки различные СУБД, среди которых OracleDatabase, MSSQLServer, Infomix, MySQL, PostgreSQL, Firebird и пр. Также многие разработчики СУБД выпускают специализированные библиотеки доступа для PHP.

Ruby, также как и PHP, легко интегрирует в свои программы высокопроизводительные серверы баз данных(DB2,MySQL,OracleиSybase);

Python имеет изначальную ограниченность средств для работы с базами данных.

В Perl существует множество различных модулей для работы с базами данных, которые оптимизированы для работы с конкретными СУБД. Но как правило эти модули имеют разные наборы функций. Для упрощения переноса приложений был разработан модуль DBI. Он построен по модульной архитектуре - для каждой СУБД существует драйвер, реализующий специфику работы с конкретной базой данных.

3.1.4 Независимость от используемой платформы

Все из рассматриваемых языков программирования имеют возможность установки на разных платформах и работы с разными web-серверами (Apache,IIS).

3.1.5 Скорость работы программ, использующих язык

Среди рассматриваемых языков на основании проведенных экспериментов лучшую производительность показали языки PHP и Perl. Программы, написанные на Python и Ruby значительно отстают в производительности.



3.1.6 Выводы

На основании всего выше изложенного (таблица 3.1) разработке автоматизированной системе проверки знаний будем использовать язык php, потому что это самый популярный язык программирования для web. Имеет ряд преимуществ:

-низкий «порог вхождения» - простота синтаксиса, динамическая типизация переменных, возможность интеграции html/css/js прямо в скрипты позволяют создавать простые программы после непродолжительного изучения документации;

-множество свободных библиотек, cms, фреймворков с открытым исходным кодом;

-большое сообщество разработчиков наhttp://github.com.

-php работает практически на любом web-сервере(apache2, nigx, iis), а так же без него (можно использовать для задач администрирования, написания десктопных приложений);

-возможность взаимодействия с различными системами управления базами данных (Mysql, SQLite, PostgresSQL, Firebird, MSSQL, OracleDataBase);

-поддерживает объектно-ориентированный метод программирования (создатели php совместили много сильных сторон ООП-походов других языков программирования);

-возможность установки и использования на различных архитектурах (x86, ARM) и различных операционных системах (Linux, Windows, Unix).

Таблица 3.1

Сравнение языков программирования

Критерий/Язык	PHP	Python	Ruby	Perl
Сложность языка	Низкая	Низкая	Высокая	Высокая
Менеджеры пакетов	-	-	-	-
Работа с различными СУБД	-	- /-	- /-	-
Платформонезависимость	-	-	-	-
Скорость работы программ	Высокая	Низкая	Низкая	Высокая

Подробнее с количественными характеристиками рассмотренных языков программирования можно ознакомиться в статье [18].

3.1.2 Описание выбора СУБД

Выбор системы управления базами данных (СУБД) представляет собой сложную задачу и является одним из важных этапов при разработке приложений баз данных. Выбранный программный продукт должен удовлетворять как текущим, так и будущим потребностям предприятия, при этом следует учитывать финансовые затраты на приобретение необходимого оборудования, самой системы, разработку необходимого программного обеспечения на ее основе, а также обучение персонала.

Для сравнения были выбраны три свободно распространяемые СУБД: Firebird, MySQL и PostgreSQL. Сравнение проводилось по пяти основным параметрам: поддержка СУБД механизма триггеров и хранимых процедур, удобство и доступность средств разработки приложений СУБД, перечень поддерживаемых операционных систем, минимальные требования к серверу баз данных, и производительность.

3.1.2.1 Встроенные средства резервирования и репликации

MySQL имеет утилиту mysqldump, позволяющую резервировать данные базы. Есть средства встроенной репликации, что позволяет обеспечить масштабируемость системы при увеличении хранимых данных и возросшей нагрузки.

В комплекте PostgreSQL есть 2 утилиты которые позволяют делать резервные копии, это pg_dump/pg_dumpall и pg_basebackup. Кроме того есть возможность использовать утилиты файлового копирования, такие как rsync, tar, cp и т.п. Также как и MySQL имеет встроенные средства администрирования.

Для организации резервирования баз данных под управлением СУБД Firebird используются встроенные утилиты gbak и nbackup. Штатные средства репликации отсутствуют, но есть сторонний продукт IBReplicator, позволяющий достичь синхронизации двух и более баз данных, правда, для его работы необходимо менять структуру метаданных базы.

3.1.2.2 Триггеры и хранимые процедуры

Для большинства информационных систем наиболее распространенной является клиент-серверная архитектура, то есть архитектура, в которой под БД выделяется отдельный, достаточно мощный и надежный сервер, сетевой доступ к которому осуществляют несколько клиентов. Поддержка СУБД механизма триггеров и хранимых процедур позволяет перенести часть вычислительной нагрузки по обработке данных на сервер, несколько снижает сетевой трафик, облегчает модернизацию ПО. Все три СУБД поддерживают процедурные языки SQL, но больший функционал предоставляет PostgresSQL, его PL/pgSQL практически не уступает коммерческим СУБД.

3.1.2.3 Среды разработки

Все рассматриваемые СУБД имеют функциональные IDE: для MySQL

-- phpMyAdmin, Workbench, Firebird -- Ibexpert/FlameRobin, PostgreSQL -- phpMyPgSQL. Все IDE являются свободно распространяемыми продуктами, наиболее удобны в использовании Workbench, Ibexpert.

3.1.2.4 Поддерживаемые операционные системы

Все рассматриваемые СУБД являются продуктами с открытым исходным кодом и могут быть установлены практически на все операционные системы, однако установка PostgreSQL на windows-системы совсем нетривиальная задача. Firebird и MySQL же просты в установке, настройки вне зависимости от операционной системы. По простоте администрирования Mysql (есть средства логирования «сложных» запросов, репликации, администрирования подключений) находится в адангарде, так как Firebird не имеет в своем составе мощных средств мониторинга состояния баз данных, а средства PostgreSQL сложны в настройке.

3.1.2.5 Системные требования

Mysql и Firebird в отличие от PostgreSQL не требуют большое количество ресурсов, поэтому обычный персональный компьютер может выступать в роли сервера и не испытывать сильную нагрузку при 50-60 одновременных подключений.

3.1.2.6 Производительность

В проведенных тестах [19] в плане производительности побеждает Mysql, хотя и не намного. Также стоит отметить, что большинство Web-приложений используют Mysql.

3.1.2.7 Выводы

Сравнение различных СУБД по критериям представлены в таблице 3.2

По итогам сравнения трех СУБД с открытым исходным кодом по основным характеристикам особенностей работы выбираем MySQL, которая ко всему выше сказанному является самой распространенной СУБД в Web-приложениях. Физическая модель данных представлена на рисунке Е.1 (ПриложениеЕ).

Таблица 3.2

Сравнение параметров СУБД

Критерий/СУБД	MySQL	PostgreSQL	FirebirdSQL
Поддерживаемые ОС	Windows, Linux	Windows, Linux	Windows, Linux
Среды разработки	phpMyAdmin, MySQL Workbench	phpHgAdmin	Ibexpert
Триггеры и ХП	Есть	Есть	Есть
Средства резервирования	Есть	Есть	Есть
Средства репликации	Есть	Есть	Нет
Сложность администрирования	Средняя	Высокая	Низкая
Системные требования	Низкие	Средние	Низкие
Производительность	Высокая	Средняя	Высокая

Ознакомиться с документацией сравниваемых СУБД можно в [20-22].

3.1.3 Описание выбора IDE

При разработке АРМ будем использовать EclipseIDE с модулем расширения PHPDevelopmentTools, так как Eclipse - бесплатная интегрированная среда разработки с открытым исходным кодом для разработчиков программного обеспечения. Среда предоставляет все средства, необходимые для создания профессиональных десктоп приложений, корпоративных, мобильных и Web-приложений на платформах PHP, JavaScript, Groovy и Ruby, Java, а также C/C - - . Основными преимуществами Eclipse являются:

-автоматическое дополнение вводимого кода, подсветка ошибок синтаксиса;

-возможность использования пошаговой отладки по ходу исполнения программы (требует специальной настройки Web-сервера с использованием одной из популярных библиотек расширения PHP);