Проектирование обучающей программы по разделу школьного курса информатики "Информационное моделирование"

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева

Факультет Информационных Технологий

Кафедра «Информационные системы»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

на тему

«Проектирование обучающей программы по разделу школьного курса информатики «Информационное моделирование»

по дисциплине

«Методические основы преподавания информатики»

Макаров М.С

РУКОВОДИТЕЛЬ:Преподаватель

Кольева Н.С

Петропавловск, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ используемых сокращений и обозначений

1.Анализ предметной области

1.2 Понятие об обучающих программах

1.3 Преимущества и недостатки обучающих программ

1.4 Обзор аналогичных пособий

1.5 Типы обучающих программ

1.6 Элементы управления в сценариях обучающих программ

1.7 Методология объектно-ориентированного моделирования

1.8 Методология моделирования IDEFX

2. ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Техническое задание

2.2.1 Построение диаграммы классов

2.2.2 Построение диаграммы последовательности

2.2.3 Построение диаграммы состояний

2.3 Проектирование с помощью нотации IDEFX

2.4 Структура обучающей программы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

В курсовом проекте используется следующий перечень сокращений и обозначений:

АОС - автоматизированная обучающая система;

ЭВМ - электронно вычислительная машина;

ФЭПО- федеральный интернет-экзамен профессионального образования;

ОС - операционная система.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящем постиндустриальном обществе роль информационных технологий чрезвычайно важна, они занимают сегодня центральное место в процессе интеллектуализации общества, развития его системы образования и культуры. Их широкое использование в самых различных сферах деятельности человека диктует целесообразность наискорейшего ознакомления с ними, начиная с ранних этапов обучения и познания.

Применение мультимедиа в сфере образования ряда развитых западных стран уже идет достаточно успешно и имеет следующие направления: видеоэнциклопедии; интерактивные путеводители; тренажеры; ситуационно-ролевые игры; электронные лектории; персональные интеллектуальные гиды по различным научным дисциплинам, являющиеся обучающими системами с использованием искусственного интеллекта; исследовательское обучение при моделировании изучаемого процесса в аналоговой или абстрактной форме; системы самотестирования знаний обучающегося; моделирование ситуации до уровня полного погружения -- виртуальная реальность (для изучения языка -- моделирование деловых переговоров на иностранном языке, моделирование положения на бирже при изучения экономических вопросов и т.д.);

Конечно обучающая программа не может заменить человека-преподавателя, но оно не только может дополнить и усовершенствовать деятельность преподавателя, а в некоторых областях, в которых развиваются самостоятельность, творческое мышление, оно сыграет уникальную роль, которую мы сейчас не можем еще осознать в полной мере.

Подводя итоги вышеизложенного можно отметить: проблема создания обучающих программ или курсов является актуальной.

Цель исследования спроектировать обучающую программу по теме «Информационное моделирование».

Задачи:

Изучить и проанализировать предметную область.

Изучить и сравнить программы-аналоги.

Обобщить и систематизировать материал для автоматизированной обучающей системы.

Написать техническое задание к проекту.

Разработать диаграммы UML.

Разработать функциональную модель данной программы.

Объектом исследования является обучающая программа по разделу школьного курса информатики «Информационное моделирование».

Предметом исследования является процесс проектирования обучающей программы.

Были применены следующие методы исследования:

теоретический анализ научной литературы;

метод проектирования;

метод моделирования.

Гипотеза исследования использование обучающих программ, обеспечивает повышение качества результатов обучения.

Научная новизна - на основе создания и дальнейшего применения обучающей программы, позволяет повысить эффективность учебного процесса по разделу «Информационное моделирование».

Теоретическая значимость: заключается в определение роли электронных учебников на процесс обучения в школе.

Практическая значимость: возможность использования в учебном процессе данную обучающую программу, в совокупности с разработанной базой данных как полноценное учебное пособие по разделу школьного курса информатики «Информационное моделирование», для улучшения качества образования.

В процессе работы и оформления пояснительной записки были использованы: Государственный общеобразовательный стандарт образования Республики Казахстан [2], методическое пособие по оформлению дипломных проектов и работ [3,4].

Структура и объем работы. Объем работы составляет 39 страниц, включая 12 рисунков.

1. АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

1.1 Классификация обучающих программ

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

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

Для систематизации существующих АОС используют ряд признаков. Среди них выделяют наиболее важные. В настоящее время АОС классифицируются :

по функциональному признаку;

по назначению;

по режиму работы;

по структуре технического обеспечения;

по особенностям реализации;

по сложности программного обеспечения.

По функциональному признаку можно выделить информационно-обучающие, контролирующие и обучающее-контролирующие автоматизированные системы. Последние реализуют не только функции контроля и предъявления информации, но и управления познавательной деятельностью обучаемых. Они наиболее полно используют их индивидуальные особенности [5].

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

По режиму работы автоматизированных систем выделяют:

диалоговые системы, работающие в режиме реального времени;

системы, работающие в режиме пакетной обработки;

системы, функционирующие в режиме запрос-ответ.

При построении обучающей системы целесообразно применять диалоговый режим работы, в котором система наиболее гибко реагирует на познавательную деятельность обучаемых. В таких системах пользователь, оперируя средствами диалога или фразами языка обучающего курса, может направлять обучение по своему усмотрению, а также выбирать для себя необходимые в данный момент порции учебного материала. В них хорошо отлажен механизм "пользователь-машина". АОС, работающие в режиме запрос-ответ имеют тенденцию развития в сторону экспертных систем. Здесь обучающая система, обладая обширной базой знаний, предоставляет пользователю только интересующую его информацию. В таких системах важен механизм накапливания знаний или самообучающий механизм. Направление развития этих систем обуславливается в настоящее время большими разработками в области искусственного интеллекта, в частности, в сфере создания экспертных систем. Системы, работающие в режиме пакетной обработки, главным образом находят применение в демонстрационных программах. В них главным является доведение необходимой информации до пользователя, исключив его индивидуальные особенности и опуская вопрос контроля обучения [6].

По структуре технического обеспечения можно выделить:

системы с одним процессором и группой непосредственно связанных терминалов;

системы мультипроцессорные, обслуживающие одну группу терминалов;

системы сетевого типа;

системы на персональных ЭВМ.

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

По особенностям реализации можно выделить:

аппаратные системы, использующие специализированное оборудование;

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

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

По сложности программного обеспечения различают однопрограммные и мультипрограммные системы.

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

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

В зависимости от назначения программы могут быть:

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

для группового обучения, т.е. для управления обучением группы учащихся.

В зависимости от характера учебного занятия можно выделить:

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

репетирующие, направленные на закрепление определенных знаний или навыков обучаемого;

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

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

Элементами контролирующей программы являются: контрольное задание, средства предварительной обработки ответа, средства синтаксического и семантического контроля, средства диагностики причин ошибок, средства принятия решений [7].

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

управление учебной деятельностью;

хранение и выдача учебной информации;

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

анализ сообщений и ответов обучаемых;

регистрация, хранение и обработка результатов учебной деятельности обучаемых.

1.2 Понятие об обучающих программах

Необходимо заметить, что до сих пор не существует четкого определения обучающей программы или электронного учебника, равно как и нет общепринятого названия для компьютерных обучающих систем. В литературе встречаются самые разнообразные варианты названия и соответствующие им определения.

Т.С. Буторин дает следующее определение: “Электронный учебник” представляет собой сложный объект дидактического проектирования с использованием новых информационно-педагогических технологий”.

И.А. Калинин определяет электронное средство обучения как программное средство, содержащее некоторый материал по учебной теме или курсу и средства для проверки его усвоения. При этом изначально предполагается, что средство будет использоваться либо как дополнение к существующему учебнику (и проводимому бучению), либо выполняет задачи “репетитора”.

Н.И. Пак: “Электронный учебник - в большей степени инструмент обучения и познания, и его структура и содержание зависят от целей его использования Он и репетитор, и тренажер, и самоучитель”. Особую значимость он приобретает при использовании в нелинейных технологиях и коммуникационных системах.

Обучающая программа, полное описание процесса программированного обучения, содержащее точные указания как о дозировании делении на части (порции) учебного материала и о последовательности его изложения (чтения по учебнику), так и о порядке (правилах) перехода от одной порции к другой. Усвоение учащимися материала проверяется серией контрольных вопросов, предлагаемых им либо в конце каждой порции материала, либо периодически в процессе его изучения (причём от правильности ответа зависит переход к следующей дозе материала).

Таким образом, электронное средство обучения - это обучающая программная система комплексного назначения, которая обеспечивает непрерывность и полноту дидактического цикла процесса обучения, предоставляет теоретический материал, обеспечивает тренировочную учебную деятельность, осуществляет контроль уровня знаний, а также обеспечивает информационно-поисковую деятельность, математическое и имитационное моделирование с компьютерной визуализацией, сервисные услуги при условии интерактивной обратной связи [8].

1.3 Преимущества и недостатки обучающих программ

В основе учебных пособий часто лежит методика программированного обучения, что налагает определённые требования на структуру и методику обучения с использованием этих средств. С технической точки зрения, такие учебные средства часто имеют характер презентаций и строятся как наборы слайдов.

Такой подход не отвечает традиционному понятию учебника -- основного средства обучения. В нём из поля зрения пользователя практически полностью выпадают возможности, касающиеся поиска и анализа информации, не формируются навыки самостоятельной исследовательской работы, затруднена возможность варьирования содержания обучения. Построенные таким образом средства тяжело вносить в учебный процесс.

Несмотря на неоспоримые достоинства, применение электронных обучающих средств не лишено определенных недостатков. В их числе недостатки, вызванные специфическими особенностями работы с информацией на электронных носителях (чтение с экрана менее удобно, чем с листа бумаги, вызывает повышенную утомляемость органов зрения, требует наличия соответствующих технических средств и т.д.). Гораздо более существенны недостатки, вызванные погрешностями в написании электронных учебников. Это выражается в отсутствии:

учета психолого-педагогических требований;

адресности (учета индивидуальных особенностей обучающегося, состояния его здоровья (например, инвалидности), профессиональной направленности в обучении и т.д.);

унификации в использовании терминологии и обозначений;

междисциплинарных связей и недостаточной преемственности материала;

единого подхода к подбору иллюстративного материала.

Такая ситуация возникла вследствие того, что процесс интенсивного создания электронных учебников начался сравнительно недавно, и во многом он протекает стихийно, поэтому в коллектив разработчиков программных продуктов учебного назначения не всегда входят специалисты в области педагогики и психологии, эргономики, медицины и т.д.

Для устранения этих недостатков предлагается другой подход к построению электронных учебников, основанный на понимании электронного учебника как открытой информационной системы. При этом подходе основу учебника составляет собственно информационное наполнение.

Информационные системы - это совокупность тем или иным способом структурированных данных (базы данных) и комплекса аппаратно-программных средств для хранения данных и манипулирования ими.

В обучающей системе должны быть предусмотрены следующие типы модулей учебного материала:

текстовые. Основу в таких модулях составляет текст с гиперссылками на другие модули.

статические иллюстрации в различных графических форматах.

видео и аудио фрагменты.

программные модули расширения, (в виде стандартных библиотек DLL).

Для выполнения задач поиска в системе предусмотрен механизм полнотекстового поиска, что позволяет искать нужный материал по ключевым словам или содержанию.

Система спроектированная с учетом вышеизложенных критериев позволяет реализовывать как традиционную схему построения учебных программных средств, так и практически любую другую. Она позволяет хранить и обрабатывать значительно больший массив информации, за счёт средств редактирования и индексации, работающих с тем же материалом, что и средства просмотра.[9]

На этапах разработки и внедрения обучающей программы возникает вопрос о целесообразности применения этого средства обучения, а, следовательно, необходимость выявления преимуществ компьютерных обучающих технологий перед традиционными средствами обучения, которые успели зарекомендовать себя с лучшей стороны за долгие годы использования.

Традиционные способы обучения, такие как чтение научной литературы, прослушивание лекций, посещение семинаров, просмотр учебных видеофильмов, издавна зарекомендовали себя как эффективные средства получения знаний, на которых выросло не одно поколение школьников и студентов.

Каждое из перечисленных средств имеет ряд недостатков:

информация представляется, как правило, только в одной форме, а отсюда - недостаточная иллюстративность классических учебников или, в случае видео- и аудиокассет, необходимость использования дополнительных носителей информации в виде пояснительных брошюр;

поиск информации в любом из перечисленных видов обучения - длительный и трудоемкий процесс;

отсутствие эффективных способов проверки знаний обучающегося приводит к тому, что контроль над процессом усвоения материала может осуществляться только преподавателем.

Объединить все лучшее, что существует в традиционных способах обучения и устранить отмеченные недостатки можно, используя возможности электронной формы представления информации.

Таким образом, обучающие программы обладают следующими основными преимуществами:

интерактивность, бесценная для образовательного процесса, позволяющая без усилий выполнять рутинные операции (поиск, вычисления) и индивидуализировать получение и усвоение информации;

долговременная актуальность. Электронные издания практически вечны: основные затраты приходятся на разработку первой версии, а текущие изменения, дополнения требуют сравнительно малых затрат .

Изучив различные средства обучения, можно сказать, что электронные средства обучения значительно превосходят традиционные средства по возможностям поиска и навигации, а также по наглядности, в то время как контроль знаний и обратная связь с преподавателем оставляют желать лучшего, представляя обширную область для дальнейших исследований и разработках.

1.4 Обзор аналогичных пособий

В сети Internet можно найти некоторое количество электронных пособий, предназначенных для учителей информатики для оказания посильной помощи в их профессиональной деятельности. Вот некоторые из них.

Рисунок 1.1. Сайт Федерального интернет - тестирования в сфере профессионального образования.

Интернет-экзамен в сфере профессионального образования (ФЭПО) проводится в форме компьютерного тестирования студентов и направлен на проверку выполнения требований Государственных образовательных стандартов профессионального образования. Целью ФЭПО является формирование единых требований к оценке качества подготовки специалистов.

В целях оказания помощи вузам при создании систем управления качеством подготовки специалистов на основе независимой внешней оценки Национальное аккредитационное агентство в сфере образования проводит эксперимент по введению Федерального экзамена в сфере высшего профессионального образования (ФЭПО). Содержанием эксперимента является проведение компьютерного Интернет-тестирования в части внешней оценки уровня подготовки студентов на соответствие требованиям государственных образовательных стандартов.

Принципы ФЭПО:

принцип добровольности участия вузов;

принцип полного доверия вузам по вопросам соблюдения технологии проведения экзамена;

проведение экзамена в единое время по единым измерительным материалам;

два режима проведения экзамена: on-line off-line.

ФЭПО - это тестирование студентов совокупности образовательных программ или одной образовательной программе всех вузов Российской Федерации с использованием среды Интернет в режиме off-line или в режиме on-line.

ФЭПО позволит объективно оценить степень соответствия содержания и уровня подготовки студентов требованиям государственных образовательных стандартов.

ФЭПО позволит сравнить результаты освоения стандарта студентами данного вуза с результатами других вузов.

Результаты ФЭПО оформляются в виде информационно-аналитической карты, содержащей материалы, предназначенные для принятия решений в системе внутривузовского управления качеством подготовки.

ФЭПО позволит эффективно использовать результаты экзамена при самообследовании для комплексной оценки вуза.

Участие вузов в ФЭПО будет способствовать созданию системы обеспечения качества подготовки студентов на основе независимой внешней оценки [14].

Вторая группа задач связана с регистрацией и статическим анализом показателей усвоения учебного материала: заведение индивидуальных разделов для каждого учащегося, определение времени решения задач, определение общего числа ошибок и т.д. К этой же группе логично отнести решение задач управления учебной деятельностью. Например, задач по изменению темпа предъявления учебного материала или порядка предъявления учащемуся новых блоков учебной информации в зависимости от времени решения, типа и числа ошибок. Таким образом, эта группа задач направлена на поддержку и реализацию основных элементов программированного обучения. К таким системам относится «Интернет университет информационных технологий» (Интуит) [10].

Рисунок 1.2. Интернет университет информационных технологий.

Интернет-Университет Информационных Технологий (ИНТУИТ) это частная организация, которая ставит следующие цели:

финансирование разработок учебных курсов по тематике информационно-коммуникационных технологий;

координация учебно-методической деятельности предприятий компьютерной индустрии по созданию учебных курсов по ИКТ;

обеспечение профессорско-преподавательских кадров вузов и их библиотек учебниками и методическими материалами по курсам ИКТ;

содействие органам государственной власти в области развития образовательных программ, связанных с современными информационными технологиями.

Это частная организация, учредителями которой являются физические лица. Это даже не учебное заведение, по крайней мере, в том смысле, в котором этот термин используется в официальных документах. Проект существует за счет учредителей. Финансовую поддержку ему оказывают ряд российских и иностранных компаний и частных лиц. Некоторые курсы создаются при поддержке компаний и частных спонсоров, информация об этом специально указывается на сайте [11].

1.5 Типы обучающих программ

Основанием для классификации служат обычно особенности учебной деятельности обучаемых при работе с программами. Многие авторы выделяют четыре типа обучающих программ:

* тренировочные и контролирующие;

* наставнические;

* имитационные и моделирующие;

* развивающие игры.

Программы 1-го типа (тренировочные) предназначены для закрепления умений и навыков. Предполагается, что теоретический материал уже изучен. Эти программы в случайной последовательности предлагают учащемуся вопросы и задачи и подсчитывают количество правильно и неправильно решенных задач (в случае правильного ответа может выдаваться поощряющая ученика реплика). При неправильном ответе ученик может получить помощь в виде подсказки.

Программы 2-го типа (наставнические) предлагают ученикам теоретический материал для изучения. Задачи и вопросы служат в этих программах для организации человеко-машинного диалога, для управления ходом обучения. Так если ответы, даваемые учеником, неверны, программа может “откатиться назад” для повторного изучения теоретического материала.

Программы 3-го типа (моделирующие) основаны на графически-иллюстративных возможностях компьютера, с одной стороны, и вычислительных, с другой, и позволяют осуществлять компьютерный эксперимент. Такие программы предоставляют ученику возможность наблюдать на экране дисплея некоторый процесс, влияя на его ход подачей команды с клавиатуры, меняющей значения параметров.

Программы 4-го типа (игры) предоставляют в распоряжение ученика некоторую воображаемую среду, существующий только в компьютере мир, набор каких-то возможностей и средств их реализации. Использование предоставляемых программой средств для реализации возможностей, связанных с изучением мира игры и деятельностью в этом мире. приводит к развитию обучаемого, формированию у него познавательных навыков, самостоятельному открытию им закономерностей, отношений объектов действительности, имеющих всеобщее значение.

Наибольшее распространение получили обучающие программы первых двух типов в связи с их относительно невысокой сложностью, возможностью унификации при разработке многих блоков программ. Если программы 3-го и 4-го типов требуют большой работы программистов, психологов, специалистов в области изучаемого предмета, педагогов-методистов, то технология создания программ 1-го и 2-го типов ныне сильно упростилась с появлением инструментальных средств или наполняемых автоматизированных обучающих систем (АОС).[12,13]

1.6 Элементы управления в сценариях обучающих программ

В соответствии с постулатами общей теории управления в любых циклических замкнутых системах управления, в том числе и в педагогических, должны быть реализованы следующие функции:

формирование целей управления;

установление исходного состояния объекта управления;

определение программы воздействий, предусматривающей основные переходные состояния объекта управления;

систематический сбор информации обратной связи;

переработка информации обратной связи с целью выработки и реализации корректирующих воздействий.

Остановимся более подробно на особенностях понятия обратной связи, присущих педагогическим системам. Обратную связь (ОС) в триаде "Педагог - Обучающая программа - Обучаемый" можно разделить на два вида: внешняя и внутренняя ОС.

Внутренняя ОС - это информация, которая поступает от обучающей программы к ученику в ответ на его действия при выполнении упражнений. Она предназначена для самокоррекции учеником своей учебной деятельности. Понятие внутренней ОС имеет исключительно важное значение для автоматизации процесса обучения. Внутренняя ОС дает возможность ученику сделать осознанный вывод об успешности или ошибочности учебной деятельности. Она побуждает ученика к рефлексии, является стимулом к дальнейшим действиям, помогает оценить и скорректировать результаты учебной деятельности. Различают консультирующую и результативную внутреннюю ОС. Консультация может быть разной: помощь, разъяснение, подсказка, наталкивание и т.п. Результативная ОС также может быть различной: от "верно - неверно" до демонстрации правильного результата или способа действия.

Информация внешней ОС в рассматриваемой триаде поступает к педагогу и используется им для коррекции деятельности ученика и обучающей программы [14,15].

1.7 Методология объектно-ориентированного моделирования

Концептуальной основой объектно-ориентированного анализа и проектирования ПО является объектная модель. Ее основные принципы (абстрагирование, инкапсуляция, модульность и иерархия) и понятия (объект, класс, атрибут, операция, интерфейс и др.) наиболее четко сформулированы Гради Бучем в его фундаментальной книге и последующих работах.

Большинство современных методов основаны на использовании языка UML. Унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language) представляет собой язык для определения, представления, проектирования и документирования программных систем, организационно-экономических систем, технических систем и других систем различной природы. UML содержит стандартный набор диаграмм и нотаций самых разнообразных видов.

Главными в разработке UML были следующие цели:

предоставить пользователям готовый к использованию выразительный язык визуального моделирования, позволяющий им разрабатывать осмысленные модели и обмениваться ими;

предусмотреть механизмы расширяемости и специализации для расширения базовых концепций;

обеспечить независимость от конкретных языков программирования и процессов разработки.

обеспечить формальную основу для понимания этого языка моделирования (язык должен быть одновременно точным и доступным для понимания, без лишнего формализма);

стимулировать рост рынка объектно-ориентированных инструментальных средств;

интегрировать лучший практический опыт.

UML находится в процессе стандартизации, проводимом OMG (Object Management Group) - организацией по стандартизации в области объектно-ориентированных методов и технологий, в настоящее время принят в качестве стандартного языка моделирования и получил широкую поддержку в индустрии ПО. UML принят на вооружение практически всеми крупнейшими компаниями - производителями ПО (Microsoft, Oracle, IBM, Hewlett-Packard, Sybase и др.). Кроме того, практически все мировые производители CASE-средств, помимо IBM Rational Software, поддерживают UML в своих продуктах (Oracle Designer, Together Control Center (Borland), AllFusion Component Modeler (Computer Associates), Microsoft Visual Modeler и др.).

Стандарт UML версии 1.1, принятый в 1997 г., содержит следующий набор диаграмм:

диаграммы классов (class diagrams) - для моделирования статической структуры классов системы и связей между ними;

диаграммы компонентов (component diagrams) - для моделирования иерархии компонентов (подсистем) системы;

диаграммы размещения (deployment diagrams) - для моделирования физической архитектуры системы.

Модели поведения (behavioral):

диаграммы вариантов использования (use case diagrams) - для моделирования функциональных требований к системе (в виде сценариев взаимодействия пользователей с системой);

Диаграммы взаимодействия (interaction diagrams):

диаграммы последовательности (sequence diagrams) и кооперативные диаграммы (collaboration diagrams) - для моделирования процесса обмена сообщениями между объектами;

диаграммы состояний (statechart diagrams) - для моделирования поведения объектов системы при переходе из одного состояния в другое;

диаграммы деятельности (activity diagrams) - для моделирования поведения системы в рамках различных вариантов использования, или потоков управления.

Диаграммы вариантов использования показывают взаимодействия между вариантами использования и действующими лицами, отражая функциональные требования к системе с точки зрения пользователя. Цель построения диаграмм вариантов использования - это документирование функциональных требований в самом общем виде, поэтому они должны быть предельно простыми.

Вариант использования представляет собой последовательность действий (транзакций), выполняемых системой в ответ на событие, инициируемое некоторым внешним объектом (действующим лицом). Вариант использования описывает типичное взаимодействие между пользователем и системой и отражает представление о поведении системы с точки зрения пользователя. В простейшем случае вариант использования определяется в процессе обсуждения с пользователем тех функций, которые он хотел бы реализовать, или целей, которые он преследует по отношению к разрабатываемой системе.

Диаграмма вариантов использования является самым общим представлением функциональных требований к системе. Для последующего проектирования системы требуются более конкретные детали, которые описываются в документе, называемом "сценарием варианта использования" или "потоком событий" (flow of events). Сценарий подробно документирует процесс взаимодействия действующего лица с системой, реализуемого в рамках варианта использования. Основной поток событий описывает нормальный ход событий (при отсутствии ошибок). Альтернативные потоки описывают отклонения от нормального хода событий (ошибочные ситуации) и их обработку.

Достоинства модели вариантов использования заключаются в том, что она:

определяет пользователей и границы системы;

определяет системный интерфейс;

удобна для общения пользователей с разработчиками;

используется для написания тестов;

является основой для написания пользовательской документации;

хорошо вписывается в любые методы проектирования (как объектно-ориентированные, так и структурные).

Диаграммы взаимодействия описывают поведение взаимодействующих групп объектов (в рамках варианта использования или некоторой операции класса). Как правило, диаграмма взаимодействия охватывает поведение объектов в рамках только одного потока событий варианта использования. На такой диаграмме отображается ряд объектов и те сообщения, которыми они обмениваются между собой. Существует два вида диаграмм взаимодействия: диаграммы последовательности и кооперативные диаграммы.

Диаграммы последовательности отражают временную последовательность событий, происходящих в рамках варианта использования, а кооперативные диаграммы концентрируют внимание на связях между объектами.

Диаграмма классов определяет типы классов системы и различного рода статические связи, которые существуют между ними. На диаграммах классов изображаются также атрибуты классов, операции классов и ограничения, которые накладываются на связи между классами. Вид и интерпретация диаграммы классов существенно зависит от точки зрения (уровня абстракции): классы могут представлять сущности предметной области (в процессе анализа) или элементы программной системы (в процессах проектирования и реализации).

Диаграммы состояний определяют все возможные состояния, в которых может находиться конкретный объект, а также процесс смены состояний объекта в результате наступления некоторых событий. Диаграммы состояний не надо создавать для каждого класса, они применяются только в сложных случаях. Если объект класса может существовать в нескольких состояниях и в каждом из них ведет себя по-разному, для него может потребоваться такая диаграмма.

Диаграммы деятельности, в отличие от большинства других средств UML, заимствуют идеи из нескольких различных методов, в частности, метода моделирования состояний SDL и сетей Петри. Эти диаграммы особенно полезны в описании поведения, включающего большое количество параллельных процессов. Диаграммы деятельности являются также полезными при параллельном программировании, поскольку можно графически изобразить все ветви и определить, когда их необходимо синхронизировать.

Диаграммы деятельности можно применять для описания потоков событий в вариантах использования. С помощью текстового описания можно достаточно подробно рассказать о потоке событий, но в сложных и запутанных потоках с множеством альтернативных ветвей будет трудно понять логику событий. Диаграммы деятельности предоставляют ту же информацию, что и текстовое описание потока событий, но в наглядной графической форме.

Диаграммы компонентов моделируют физический уровень системы. На них изображаются компоненты ПО и связи между ними. На такой диаграмме обычно выделяют два типа компонентов: исполняемые компоненты и библиотеки кода.

Каждый класс модели (или подсистема) преобразуется в компонент исходного кода. Между отдельными компонентами изображают зависимости, соответствующие зависимостям на этапе компиляции или выполнения программы.

Диаграммы компонентов применяются теми участниками проекта, кто отвечает за компиляцию и сборку системы. Они нужны там, где начинается генерация кода.

Диаграмма размещения отражает физические взаимосвязи между программными и аппаратными компонентами системы. Она является хорошим средством для того, чтобы показать размещение объектов и компонентов в распределенной системе.

Диаграмма размещения показывает физическое расположение сети и местонахождение в ней различных компонентов. Ее основными элементами являются узел (вычислительный ресурс) и соединение - канал взаимодействия узлов (сеть).

Диаграмма размещения используется менеджером проекта, пользователями, архитектором системы и эксплуатационным персоналом, чтобы понять физическое размещение системы и расположение ее отдельных подсистем.

UML обладает механизмами расширения, предназначенными для того, чтобы разработчики могли адаптировать язык моделирования к своим конкретным нуждам, не меняя при этом его метамодель. Наличие механизмов расширения принципиально отличает UML от таких средств моделирования, как IDEF0, IDEF1X, IDEF3, DFD и ERM. Перечисленные языки моделирования можно определить как сильно типизированные (по аналогии с языками программирования), поскольку они не допускают произвольной интерпретации семантики элементов моделей. UML, допуская такую интерпретацию (в основном за счет стереотипов), является слабо типизированным языком [16,17].

1.8 Методология моделирования IDEFX

IDEF - методологии семейства ICAM (Integrated Computer-Aided Manufacturing) для решения задач моделирования сложных систем, позволяет отображать и анализировать модели деятельности широкого спектра сложных систем в различных разрезах. При этом широта и глубина обследования процессов в системе определяется самим разработчиком, что позволяет не перегружать создаваемую модель излишними данными.

IDEF -- методологии создавались в рамках предложенной ВВС США программы компьютеризации промышленности -- ICAM, в ходе реализации которой выявилась потребность в разработке методов анализа процессов взаимодействия в производственных (промышленных) системах. Принципиальным требованием при разработке рассматриваемого семейства методологий была возможность эффективного обмена информацией между всеми специалистами -- участниками программы ICAM (отсюда название: Icam Definition -- IDEF другой вариант -- Integrated Definition). После опубликования стандарта он был успешно применен в самых различных областях бизнеса, показав себя эффективным средством анализа, конструирования и отображения бизнес-процессов.

В настоящий момент к семейству IDEF можно отнести следующие стандарты:

IDEF0 - Function Modeling - методология функционального моделирования. С помощью наглядного графического языка IDEF0 изучаемая система предстает перед разработчиками и аналитиками в виде набора взаимосвязанных функций (функциональных блоков -- в терминах IDEF0). Как правило, моделирование средствами IDEF0 является первым этапом изучения любой системы. Методологию IDEF0 можно считать следующим этапом развития хорошо известного графического языка описания функциональных систем SADT (Structured Analysis and Design Technique);

IDEF1 - Information Modeling - методология моделирования информационных потоков внутри системы, позволяющая отображать и анализировать их структуру и взаимосвязи;

IDEF1X (IDEF1 Extended) - Data Modeling - методология построения реляционных структур (баз данных), относится к типу методологий «Сущность-взаимосвязь» (ER - Entity-Relationship) и, как правило, используется для моделирования реляционных баз данных, имеющих отношение к рассматриваемой системе;

IDEF2 - Simulation Model Design - методология динамического моделирования развития систем. В связи с весьма серьезными сложностями анализа динамических систем от этого стандарта практически отказались, и его развитие приостановилось на самом начальном этапе. В настоящее время присутствуют алгоритмы и их компьютерные реализации, позволяющие превращать набор статических диаграмм IDEF0 в динамические модели, построенные на базе «раскрашенных сетей Петри» (CPN - Color Petri Nets);

IDEF3 - Process Description Capture - Документирование технологических процессов,

IDEF3 - методология документирования процессов, происходящих в системе (например, на предприятии), описываются сценарий и последовательность операций для каждого процесса. IDEF3 имеет прямую взаимосвязь с методологией IDEF0 - каждая функция (функциональный блок) может быть представлена в виде отдельного процесса средствами IDEF3;

IDEF4 - Object-Oriented Design - методология построения объектно-ориентированных систем, позволяют отображать структуру объектов и заложенные принципы их взаимодействия, тем самым позволяя анализировать и оптимизировать сложные объектно-ориентированные системы;

IDEF5 - Ontology Description Capture - Стандарт онтологического исследования сложных систем. С помощью методологии IDEF5 онтология системы может быть описана при помощи определенного словаря терминов и правил, на основании которых могут быть сформированы достоверные утверждения о состоянии рассматриваемой системы в некоторый момент времени. На основе этих утверждений формируются выводы о дальнейшем развитии системы и производится её оптимизация;

IDEF6 - Design Rationale Capture - Обоснование проектных действий. Назначение IDEF6 состоит в облегчении получения «знаний о способе» моделирования, их представления и использования при разработке систем управления предприятиями. Под «знаниями о способе» понимаются причины, обстоятельства, скрытые мотивы, которые обуславливают выбранные методы моделирования. Проще говоря, «знания о способе» интерпретируются как ответ на вопрос: «почему модель получилась такой, какой получилась?» Большинство методов моделирования фокусируются на собственно получаемых моделях, а не на процессе их создания. Метод IDEF6 акцентирует внимание именно на процессе создания модели;

IDEF7 - Information System Auditing - Аудит информационных систем. Этот метод определён как востребованный, однако так и не был полностью разработан;

IDEF8 - User Interface Modeling - Метод разработки интерфейсов взаимодействия оператора и системы (пользовательских интерфейсов). Современные среды разработки пользовательских интерфейсов в большей степени создают внешний вид интерфейса. IDFE8 фокусирует внимание разработчиков интерфейса на программировании желаемого взаимного поведения интерфейса и пользователя на трех уровнях: выполняемой операции (что это за операция); сценарии взаимодействия, определяемом специфической ролью пользователя (по какому сценарию она должна выполняться тем или иным пользователем); и, наконец, на деталях интерфейса (какие элементы управления, предлагает интерфейс для выполнения операции);

IDEF9 - Scenario-Driven IS Design (Business Constraint Discovery method) -- Метод исследования бизнес ограничений был разработан для облегчения обнаружения и анализа ограничений в условиях которых действует предприятие. Обычно, при построении моделей описанию ограничений, оказывающих влияние на протекание процессов на предприятии уделяется недостаточное внимание. Знания об основных ограничениях и характере их влияния, закладываемые в модели, в лучшем случае остаются неполными, несогласованными, распределенными нерационально, но часто их вовсе нет. Это не обязательно приводит к тому, что построенные модели нежизнеспособны, просто их реализация столкнется с непредвиденными трудностями, в результате чего их потенциал будет не реализован. Тем не менее в случаях, когда речь идет именно о совершенствовании структур или адаптации к предсказываемым изменениям, знания о существующих ограничениях имеют критическое значение;

IDEF10 -- Implementation Architecture Modeling -- Моделирование архитектуры выполнения. Этот метод определён как востребованный, однако так и не был полностью разработан;

IDEF11 -- Information Artifact Modeling. Этот метод определён как востребованный, однако так и не был полностью разработан;

IDEF12 -- Organization Modeling -- Организационное моделирование. Этот метод определён как востребованный, однако так и не был полностью разработан;

IDEF13 -- Three Schema Mapping Design -- Трёхсхемное проектирование преобразования данных. Этот метод определён как востребованный, однако так и не был полностью разработан;

IDEF14 -- Network Design -- Метод проектирования компьютерных сетей, основанный на анализе требований, специфических сетевых компонентов, существующих конфигураций сетей. Также он обеспечивает поддержку решений, связанных с рациональным управлением материальными ресурсами, что позволяет достичь существенной экономии [18,19].

2. ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Техническое задание

Введение

Настоящее техническое задание распространяется на разработку обучающей программы по разделу школьного курса информатики «Информационное моделирование» для использования учениками. курса

Назначение разработки

Обучающая программа по разделу «Информационное моделирование», позволит в наглядной форме работать с лекционным материалом. Появится возможность самостоятельного освоения материала и заполнение пробелов в знаниях предмета.

Так же будет предусмотрена возможность проверки пройденного материала в виде тестирования. Визуальное наглядное пособие по выполнению лабораторных работ позволит избежать недопонимание, связанное с не полным их описанием.

Целевая аудитория

Главными пользователями web-приложения являются ученики школ и учителя информатики.

2.2 Требования к программе

Технические требования

Требования к функциональным характеристикам.

Программа должна обеспечивать возможность выполнения следующих функций:

содержать теоретический материал тем по разделу информатики «Информационное моделирование»;

содержать систему тестирования;

содержать систему оценивания знаний по результатам тестирования;

хранение результатов тестирования в памяти;

содержать задания для практических работ.

Исходные данные:

материал по разделу «Информационное моделирование»;

организация входных и выходных данных;

входные данные поступают с клавиатуры;

выходные данные отображаются на экране и при необходимости выводятся на печать.

Требования к функциональным характеристикам

Обучающая программа должена состоять из нескольких законченных взаимосвязанных фрагментов, каждый из которых обладает определенной функцией и визуально представлен отдельным модулем. Итак, в программе существуют следующие блоки:

блок изучения теоретического материала - здесь студентам предлагается теоретический материал по изучаемой теме, разбитый на главы и экраны. Встроенные средства навигации позволят им свободно перемещаться по всему материалу учебника и находить интересующую их информацию;

блок тестирования - который содержит набор вопросов по пройденной теме, по окончанию обучения студенты должны будут знать ответы на все вопросы, им также придется решить несколько практических заданий и на основе полученных ответов система сможет оценить успешность обучения;

блок лабораторных работ - это набор заданий рекомендуемых студентам для самостоятельного решения с целью закрепления теоретического материала и практических навыков решения.

Требования к надежности

Предусмотреть контроль вводимой информации.

Предусмотреть блокировку некорректных действий пользователя при работе с системой.

Требования к составу и параметрам технических средств.

Система должна работать на IBM-совместимых персональных компьютерах.

Минимальная конфигурация:

тип процессора - Pentium III и выше;

объем оперативного запоминающего устройства - 256 Мб и более;

объем свободного места на жестком диске - 40 Мб.

Рекомендуемая конфигурация:

тип процессора - Pentium Celeron 1,6 ГГц;

объем оперативного запоминающего устройства - 512 Мб;

объем свободного места на жестком диске - 60 Мб.

Требования к программной совместимости.

Программа должна работать под управлением семейства операционных систем Windows (Windows ХР / Vista / 7 и т.п.).

Условия эксплуатации

Тестируемые не должны иметь доступа к редактированию и просмотру базы вопросов, должен быть запрещен доступ к изменению входных данных к обучающей части программы.

Требования к информационной и программной совместимости

Предоставляемый материал по дисциплине должен быть в текстовом или в графическом формате и предоставляться на русском языке. Метод решения задачи, язык программирования и программные средства выбираются разработчиком.

Требования к программной документации

Разрабатываемые программные модули должны быть самодокументированы, т.е. тексты программ должны содержать все необходимые комментарии.

Разрабатываемая программа должна включать справочную информацию о работе программы, описания методов сортировки и подсказки учащимся.

В состав сопровождающей документации должны входить:

пояснительная записка на пяти листах, содержащая описание разработки;

руководство пользователя.

Требования к группам пользователей и их возможности

В данной системе присутствуют два пользователя это: Пользователь и Администратор.

Для каждого пользователя существуют свои определенные права на пользование системой.

Администратор при входе в систему должен ввести свой пароль.После введения верного пароля он попадает на страницу редактирования материала, где он может изменять, удалять или добавлять материал.

Пользователь может только просматривать и изучать материал и выполнять предоставленные работы.

2.2 Построение диаграммы вариантов использования

Суть диаграммы вариантов использования состоит в следующем. Проектируемая система представляется в виде множества сущностей или актеров, взаимодействующих с системой с помощью вариантов использования. При этом актером (actor) или действующим лицом называется любая сущность, взаимодействующая с системой извне. Это может быть человек, техническое устройство, программа или любая другая система, которая может служить источником воздействия на моделируемую систему так, как определит сам разработчик. Вариант использования служит для описания сервисов, которые система предоставляет актеру. Диаграмма вариантов использования может дополняться пояснительным текстом, который раскрывает смысл или семантику составляющих ее компонентов.

Диаграмма вариантов использования для администратора и пользователя представлены в соответствии с рисунком 2.1 и 2.2.

Рисунок 2.1. Диаграмма вариантов использования «Администратор».

Рисунок 2.2. Диаграмма вариантов использования «Пользователь».

Пользователь при входе в систему может воспользоваться следующими вариантами использования: В разделе «Лекции» пользователь может просмотреть список лекций и по выбору изучить выбранную лекцию.

Раздел «Лабораторные работы» представляет список лабораторных работ связанные с теоретическим материалом представленным в лекциях.

В разделе тестирования пользователь может проверить свои знания по пройденному материалу.

Для администратора базовым вариантом использования будет «Редактирование данных». Это связано с тем, что учитель выступает в роли администратора, у которого имеется доступ к разделу, где можно редактировать содержимое, а ученик не имеет таких полномочий.

Рассмотрим вариант использования более подробно.

...