Интерактивное обучение

12

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

ВВЕДЕНИЕ

Коренные изменения в нашем обществе создали реальные предпосылки для обновления системы образования, что находит свое отражение в разработке и введении элементов нового содержания, новых образовательных технологий, в обращении к мировому педагогическому опыту.

По исследованиям зарубежных социологов, самыми «запрашиваемыми» в современной экономике являются способность к саморазвитию и сотрудничеству, чувство личной ответственности, способность к критике и принятию решения в процессе диалога [1]. Как показывают исследования, 60-80% проговариваемых в течение урока слов исходят именно от лектора, он активен, объясняет, спрашивает, направляет, исправляет [2]. Но гиперактивность преподавателя часто сопровождается массовой пассивностью учащихся на уроке.

Интерактивное обучение -- это специальная форма организации познавательной деятельности, когда учебный процесс протекает таким образом, что практически все учащиеся оказываются вовлеченными в процесс познания, они имеют возможность понимать и анализировать свои мысли по поводу того, что они знают и думают. Совместная деятельность учащихся в процессе познания, освоения учебного материала означает, что каждый вносит свой индивидуальный вклад, идет обмен знаниями, идеями, способами деятельности.

Важно подчеркнуть, что интерактивное обучение требует от учителя необходимых методических и психологических знаний и умений. Например, умения использовать техники, позволяющие включить всех участников учебного занятия в процесс обсуждения, умения осуществлять психологическую подготовку участников и правильно организовывать пространство для занятия.

Безусловно, основная задача любого постдипломного образования -- стимулировать к дальнейшему самообразованию: чтению специальной литературы, самостоятельному изучению вопросов теоретического характера, знакомству с инновациями в образовательном процессе и т.д.[3]. Но ведь может случиться и обратное: у преподавателя, не сумевшего «переварить» обилие информации, возникают психологические барьеры к предлагаемому новому («это все уже было», «все равно это у нас не получится», «это не решит наших главных проблем»). Таким образом, мы подходим к актуальной теме, когда интерактивное обучение можно организовать на компьютере, тем самым облегчить способ вовлечения множества обучающейся группы людей, при этом снизив нагрузку на преподавателя в качестве организации и контроля за порядком.

1. СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

образовательный педагогический интерактивный обучение

1.1 Описание и системный анализ эволюции предметной области

Интерактивные методы обучения как способ совместной деятельности учащихся, при котором участники образовательного процесса взаимодействуют друг с другом, обмениваются информацией, совместно решают проблемы, моделируют ситуации, оценивают действия друг друга и свое собственное поведение, погружаются в реальную атмосферу сотрудничества по разрешению проблем, дают возможности для самореализации личности в различных видах учебной деятельности, обеспечивая качественное изучение естественнонаучных дисциплин. Теоретико-методологическим основанием возможности самореализации учащихся в учебной деятельности с использованием интерактивных методов обучения являются: гуманно-личностный, личностно-деятельностный, ценностный, системный подходы, реализация которых позволяет учащимся выражать свое отношение к различным видам деятельности, проявлять личностные смыслы учения, получать удовольствие от проделанной работы и своих достижений.

Сущность интерактивных методов обучения основана на освоении нового познавательного опыта учащихся в ходе активного продуктивного взаимодействия, организованного в процессе совместной деятельности учащихся между собой, с преподавателем, с компьютером, с различными источниками информации с целью самореализации учащихся. При взаимодействии участники образовательного процесса совместно решают естественнонаучные проблемы, моделируют ситуации, оценивают действия друг друга и свое собственное поведение.

Разработанная классификация интерактивных методов обучения в контексте самореализации студентов в учебной деятельности основана на предоставлении возможности студентами реализовать себя репродуктивно или творчески в трех образовательных средах взаимодействия: «студент-студент-преподаватель»; «студент -компьютер- преподаватель»; «студент -текст- преподаватель». При этом интерактивные методы обучения, нацеленные на репродуктивный вид самореализации учащихся, содержат задания, которые выполняются по предложенному образцу. При творческой самореализации учащихся те же интерактивные методы приобретают иное выражение: выполнение задания происходит без предложенного алгоритма, учащиеся имеют возможность внести свои идеи, предложения в групповое решение проблемы.

Функции интерактивных методов обучения (стимулирующая, мотивирующая, функция эмоционализации учебной деятельности, самореализации, коммуникативная), являясь областью применения полученного опыта учащихся, получения удовольствия от взаимодействия в процессе выполнения заданий, решения проблем, анализа ситуаций, разыгрывания ролей, работы с различными источниками информации, участия в групповой и индивидуальной работе, способствуют самореализации студентов на уроках естественнонаучного цикла.

Основными педагогическими условиями использования интерактивных методов обучения, обеспечивающими самореализацию студентов в учебной деятельности на лекциях естественнонаучного цикла, являются: создание личностно-деятельностной ситуации; создание ситуации успеха; ориентация на групповую работу студентов; выполнение студентами личностных проектов; усиление самостоятельности учебной деятельности; рефлексивное подведение итогов; выполнение заданий с учетом меж предметных связей.

1.2 Обзор существующих систем

1.2.1 MyTestX

В ходе преддипломной практики мною была найдена аналогичная система MyTestX - это система программ для создания и проведения компьютерного тестирования, сбора и анализа их результатов[4].

Разработчик данного ПО: Башлаков Александр.

Функциональная часть: параметры тестирования, задания, звуки и изображения к заданиям для каждого отдельного теста -- все хранится в одном файле теста. Никаких баз данных, никаких лишних файлов, один тест -- один файл. Файл с тестом зашифрован и сжат.

1.2.2 SunRav TestOfficePro

Пакет программ для создания тестов, проведения тестирования, обработки и анализа его результатов. С его помощью можно определять личностные характеристики, типы поведения, контролировать изменения в приобретенных навыках и знаниях в процессе работы и (или) обучения [5].

Разработчик данного ПО: SunRav Software.

Функциональная часть: программа позволяет использовать в тестах пять типов вопросов, порядок следования вопросов может быть не только линейным, но и зависеть от ответов пользователя, каждый вопрос и вариант ответа может иметь свой «вес». Это позволяет начислять пользователю больше баллов за правильные ответы на сложные вопросы и меньше баллов - за ответы на легкие вопросы, программа позволяет вставлять изображения, формулы, схемы, таблицы, аудио и видеофайлы, HTML документы и любые OLE документы. Встроенный в tMaker текстовый редактор по функциям напоминает привычный многим MS Word.

Таблица 1 - Сравнение с существующими аналогами

Предприятие/Вузы	Создание/Добавление тестов	Общение в диалоговом режиме	Выдача и печать отчетов	Вставка графических изображений в тест	Сохранение результатов на локальную машину	Ведение статистики
MyTestXhttp://r21.rspb.ru/	+	-	-	-	+	+
SunRav TestOfficePro	+	-	+	+	+	+
СГАСУ г. Самара	+	+	+	-	-	+

Созданный мною автоматизированная система, в отличие от описанных выше, позволяет работать интерактивно с обучающимися в виде обычных лекций или интерактивных тестов, где преподаватель сам в процессе лекции задает вопрос с вариантами ответов на него.

1.3 Обоснование класса проектируемой системы

Разработанная система относится к классу автоматизированных информационных систем, так как она позволяет:

- Организовывать интерактивное взаимодействие лектора с аудиторией;

- Вести тестирование студентов.

1.4 Цели проектирования

Разработка автоматизированной информационной системы, реализующей:

1) ведение справочной информации:

- тесты;

- пользователи;

- результаты.

2) ввод и редактирования исходных данных:

- тестирование;

- пользователи.

3) авторизация пользователя, определение его прав и настройка интерфейса;

4) вывод студентов, чей результат ниже определенного порога;

5) Отчет по времени тестирования.

1.5 Используемые средства разработки

1.5.1 Краткое описание методологии UML

Унифицированный язык моделирования (UML) является стандартным инструментом для создания «чертежей» программного обеспечения. С помощью UML можно визуализировать, специфицировать, конструировать и документировать артефакты программных систем [6].

UML пригоден для моделирования любых систем: от информационных систем масштаба предприятия до распределенных Web-приложений и даже встроенных систем реального времени. Это очень выразительный язык, позволяющий рассмотреть систему со всех точек зрения, имеющих отношение к ее разработке и последующему развертыванию. Несмотря на обилие выразительных возможностей, этот язык прост для понимания и использования. Изучение UML удобнее всего начать с его концептуальной модели, которая включает в себя три основных элемента: базовые строительные блоки, правила, определяющие, как эти блоки могут сочетаться между собой, и некоторые общие механизмы языка.

Несмотря на свои достоинства, UML - это всего лишь язык; он является одной из составляющих процесса разработки программного обеспечения, и не более того. Хотя UML не зависит от моделируемой реальности, лучше всего применять его, когда процесс моделирования основан на рассмотрении прецедентов использования, является итеративным и пошаговым, а сама система имеет четко выраженную архитектуру.

UML предназначен для описания, визуализации и документирования объектно-ориентированных систем и бизнес-процессов с ориентацией на их последующую реализацию в виде программного обеспечения.

1.5.2 Краткое описание средства разработки JetBrains PhpStorm

В качестве интегрированной среды разработки выбор была выбрана среда JetBrains PhpStorm [7]. PhpStorm представляет собой интеллектуальный редактор для PHP, HTML и JavaScript с возможностями анализа кода на лету, предотвращения ошибок в коде и автоматизированными средствами рефакторинга для PHP и JavaScript. Автодополнение кода в PhpStorm поддерживает спецификацию PHP 5.3 и 5.4 (современные и традиционные проекты), включая пространства имен, замыкания, типажи и синтаксис коротких массивов. Имеется полноценный SQL-редактор с возможностью редактирования полученных результатов запросов. Язык разработки - PHP, для данной задачи был обусловлен необходимостью обеспечения доступа к комплексу через интернет.

Язык программирования, использовавшийся для реализации программы - PHP. PHP представляет язык программирования, предназначенный для разработки разнообразных WEB приложений.

В phpstorm имеется прекрасная возможность создавать мощные запросы к современной базе данных MySQL.

MySQL Server являются мощным СУБД, поддерживающим распределенную работу, возможность более гибкого манипулирования данными за счет использования встроенных DML.

1.6 Разработка модели анализа

При использовании методологии UML для создания программного и информационного обеспечения, необходимо построить набор взаимосвязанных моделей, отражающих статические и динамические свойства будущей системы [6,11]:

- модель вариантов использования;

- модель анализа;

- модель проектирования;

- модель развертывания;

- модель реализации.

Модель анализа включает в себя диаграммы обобщенных классов реализации вариантов использования на логическом уровне, соответствующие диаграммы последовательностей и/или диаграммы кооперации и является эскизной проработкой того, как будут реализованы варианты использования на логическом уровне. Она строится на этапе разработки концепции информационной системы.

1.6.1 Диаграмма вариантов использования

Диаграммы вариантов использования описывают функциональное назначение системы или то, что система должна делать.

Её суть состоит в представлении проектируемой системы в виде множества сущностей или актантов, взаимодействующих с системой с помощью вариантов использования. При этом актантом 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 разрабатываемой системы представлена на рисунке 1. Согласно диаграмме в системе имеется несколько видов пользователей, в зависимости от роли пользователя настраиваются права доступа к функционалу системы.

Диаграмма вариантов использования, показанная на рисунке 1, позволяет рассмотреть возможности разработанной информационной системы с точки зрения каждого пользователя.

На диаграмме мы можем наблюдать двух актантов, то есть трех пользователей с различными правами доступа к системе.

Каждому актанту на схеме соответствуют возможности, доступные при использовании системы.

Например, актант «Преподаватель», при работе с системой, имеет следующие возможности:

- добавление и редактирование тестов;

- добавление и редактирование пользователей.

У актанта «Пользователь» есть возможность:

- прохождения теста;

- результаты теста.

- Видеть ответы других студентов после своего ответа на лекции.

Рисунок 1- Диаграмма вариантов использования

1.6.2 Сценарии вариантов использования

Сценарий (scenario) - текстовое описание последовательности действий, необходимых для выполнения экземпляра варианта использования. Сценарий пишется по определённому шаблону. Образцы описания сценариев приведены ниже. При создании сценариев тщательно прорабатывается интерфейс системы, и учитываются отношения между вариантами использования. Для абстрактных вариантов использования, являющихся обобщениями конкретных вариантов, сценарии обычно не пишут [8,12].

Сценарии вариантов использования для программного комплекса представлены ниже.

Вариант использования: Вход в систему.

Краткое описание: Дает возможность пользователю авторизоваться с последующей работой в системе.

Актант: Пользователь.

Предусловие: Компьютер пользователя включен, программа запущена. На экране - вкладка авторизации пользователя с полями ввода «Логин», «Пароль» и кнопкой «Войти», на вкладке имеется кнопка «Закрыть вкладку»

Основной поток событий:

1. В окне авторизации пользователь вводит свой логии и пароль.

2. Система проверяет по базе данных введенные данные и открывает главное окно приложения, настроенное на права конкретного пользователя.

Вариант использования успешно завершен.

А1: Пользователь ввел неверные данные.

А2: Закрытие вкладки

Раздел альтернатив:

А1: Пользователь ввел неверные данные.

А1.1. Система выдает сообщение «Вы ввели неверный логин/пароль. Повторите попытку.»

А1.2. Пользователь просматривает сообщение с предложением ввести правильный логин и пароль.

А1.3. Система очищает поля для повторного ввода логина и пароля.

А1.4. Восстанавливается основная последовательность.

А2. Пользователь ввел верные данные.

А2.1 Пользователь наводит курсор мыши на кнопку закрыть вкладку.

Вариант использования: Ведение справочника тестов.

Краткое описание: Позволяет лектору добавить, удалять тесты в справочнике тестов.

Актант: Лектор.

Предусловия: Выполнен вход в систему. На экране страница лектора со следующими пунктами: «Группа», «Лекции», «Тесты».

Основной поток событий:

1. Лектор переходит на вкладку «Тесты». На вкладке выводится список имеющихся тестов, и имеются кнопки «+Добавить», «-Удалить», «Закрыть вкладку»

2. Система отправляет актанта на страницу добавления теста, где актант видит следующие пункты: «Название», «Группа», «Вопросы», Варианты ответов».

3. Лектор нажимает в поле «Название» и пишет название теста.

4. Лектор выбирает из списка «Группа» нужную ему группу.

5. В поле «Вопрос» актант пишет вопрос для тестирования, после написания вопроса, актант пишет вариант ответа и нажимает кнопку «+» правее от строки с «Вариант ответа», тем самым он добавляет новую строчку для написания следующего «Варианта ответа» и выбирая правильный ключ.

6. После того, как были добавлены необходимые варианты ответа, лектор нажимает на кнопку «+» рядом с «Вопрос», тем самым актант добавляет новый вопрос.

Вариант использования успешно завершен.

А1: Удаление лишних вопросов

А2: Удаление лишних ответов

А3: Закрытие вкладки

Раздел альтернатив:

А1: Пользователь ввел лишнее количество вопросов.

А1.1. Пользователь наводит кнопку мыши на кнопку «-» и нажимает на нее.

А1.2. Система принимает команду к исполнению и удаляет лишний или ненужный вопрос.

А2: Пользователь ввел лишнее количество вариантов ответов

А2.1. Пользователь наводит кнопку мыши на кнопку «-» и нажимает на нее.

А2.2. Система принимает команду к исполнению и удаляет лишнее или ненужное количество вариантов ответов на вопрос.

А2.3. Восстанавливает основная последовательность

А3. Пользователь наводит мышью на кнопку «Закрыть вкладку»

1.6.3 Диаграммы классов (class diagram)

Диаграмма классов (class diagram) служит для представления статической структуры модели системы в терминологии классов объектно-ориентированного программирования. Диаграмма классов может отражать, в частности, различные взаимосвязи между отдельными сущностями предметной области, такими как объекты и подсистемы, а также описывать их внутреннюю структуру и типы отношений.

Диаграмма классов представляет собой граф, вершинами которого являются элементы типа «классификатор», связанные различными типами структурных отношений. Диаграмма классов может также содержать интерфейсы, пакеты, отношения и даже отдельные экземпляры, такие как объекты и связи [6,11].

Диаграмма сущностных классов АИС, показанная на рисунке 2, содержит 7 сущностей, каждая из которых хранит определенный массив данных, с которыми работает система.

Рассмотрим основные сущности диаграммы:

- Лекции. В данной сущности хранятся данные о лекциях. Атрибутами сущности являются: название, время начала время конца;

- Тест. В данной сущности хранятся данные о тестировании вопросах на тест и ответах на вопрос. Атрибутами сущности являются: идентификатор название, текст вопроса, текст ответа.

Рисунок 2 - Диаграмма сущностных классов

Диаграмма граничных классов, изображенная на рисунке 3, отражает основные интерфейсы и действия доступные в графической среде системы.

В ней отражены:

- форма авторизации, позволяющая настроить интерфейс всей системы в соответствии с правами пользователя;

- главная форма приложения, которая даёт пользователю доступ к пунктам меню программного комплекса;

- формы для редактирования справочников и таблиц;

- формы отчетов обеспечивает работу системы отчетов программного комплекса.

В системе предусмотрено несколько видов отчетов:

- Результат тестирования студента;

- Распределение студентов по группам в зависимости от их результатов тестирования;

- Отчет по времени тестирования;

- Вывод студентов, чей результат ниже определенного порога.

Вывод справочной информации.

Рисунок 3 - Диаграмма граничных классов

На диаграмме классов управления (рисунок 4) отображается взаимодействие основных менеджеров, используемых в системе. В данном случае это менеджер приложения, менеджер СУБД и менеджер печати.

Рисунок 4 - Диаграмма классов управления

1.7 Разработка логической структуры базы данных

1.7.1 Уровни представления данных

Данные - вид информационного ресурса, отличающийся высокой степенью форматированности данных, в отличие от более свободных структур, характерных для речевой, текстовой и визуальной информации.

Существует три уровня представления данных:

первый уровень - концептуальный, связан с частным представлением данных группы пользователей в виде внешней схемы, объединяемых общностью используемой информации.

второй уровень - логический, является обобщенным представлением данных всех пользователей в абстрактной форме. Используется три вида моделей: иерархические, сетевые и реляционные.

третий уровень - физический (внутренний), связан со способом фактического хранения данных в физической памяти ЭВМ.

Термин «база данных» (БД) обозначает способ организации данных, и в отличие от другого способа, файловых структур, БД содержит не только сами данные, но и их описания, а также связи между ними.

БД используются обычно не самостоятельно, а являются компонентой различных информационных систем: банков данных, информационно-поисковых и экспертных систем, систем автоматизированного проектирования, автоматизированных рабочих мест и другие [9].

1.7.2 Выбор модели данных

По способу установления связей между данными СУБД основывается на использовании трёх основных видов модели: иерархической, сетевой или реляционной; на комбинации этих моделей или на некотором их подмножестве. Однако различия между этими моделями постепенно стираются.

Каждая из указанных моделей обладает характеристиками, делающими ее наиболее удобной для конкретных приложений. Одно из основных различий этих моделей состоит в том, что для иерархических и сетевых СУБД их структура часто не может быть изменена после ввода данных, тогда как для реляционных СУБД структура может изменяться в любое время.

Термин «модель данных» был введен американским математиком Коддом в 1970 г. при обосновании реляционной модели данных. Это понятие соответствует такому смысловому аспекту термина «модель», который понимается как средство, инструмент для моделирования [9].

Иерархическая модель данных

Иерархическая структура представляет совокупность элементов, связанных между собой по определенным правилам. Объекты, связанные иерархическими отношениями, образуют ориентированный граф (перевернутое дерево). К основным понятиям иерархической структуры относятся: уровень, элемент (узел), связь. К каждой записи базы данных существует только один (иерархический) путь от корневой записи [9].

Сетевая модель данных

Сетевая модель СУБД во многом подобна иерархической: если в иерархической модели для каждого сегмента записи допускается только один входной сегмент при N выходных, то в сетевой модели для сегментов допускается несколько входных сегментов наряду с возможностью наличия сегментов без входов с точки зрения иерархической структуры [9].

Реляционная модель данных

Эти модели характеризуются простотой структуры данных, удобным для пользователя табличным представлением и возможностью использования формального аппарата алгебры отношений и реляционного исчисления для обработки данных. Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц, которые представляют собой двумерный массив.

Многомерная модель данных

Многомерные базы данных отличаются от реляционных прежде всего трехмерностью -- поддержкой неограниченного числа значений в поле, и находят свое применение там, где необходима эффективная и простая работа с большими массивами символьной информации. В многомерных СУБД данные организованы в виде упорядоченных многомерных массивов, удовлетворяющих требованиям защиты от несанкционированного доступа в организации. Они обеспечивают более быструю реакцию на запросы данных за счет того, что обращения поступают к относительно небольшим блокам данных, необходимых для конкретной группы пользователей. Для достижения сравнимой производительности реляционные системы требуют тщательной проработки схемы базы данных, определения способов индексации и специальной настройки. Ограничения SQL остаются реальностью, что не позволяет реализовать в реляционных СУБД многие встроенные функции, легко обеспечиваемые в системах основанных на многомерном представлении данных.

В рамках выполнения данного дипломного проекта я решил остановиться на реляционной модели данных, так как эта модель позволяет наиболее удобно представить данные рассматриваемой предметной области, поскольку таблицы наглядно отображаются содержащуюся в БД информацию.

Логическая модель данных описывает понятия предметной области, их взаимосвязь, а так же ограничения на данные, налагаемые предметной областью.

Работа с базой данных начинается с построения модели. Наиболее распространенной является ER-модель (entity-relationship model). Она удобна при прототипировании (проектировании) информационных систем, баз данных, архитектур компьютерных приложений, и других систем (далее, моделей). С её помощью можно выделить ключевые сущности, присутствующие в модели, и обозначить отношения, которые могут устанавливаться между этими сущностями. Важно отметить, что сами отношения также являются сущностями (выделяются в отдельные графические блоки), что позволяет устанавливать отношения на множестве самих отношений. ER-модель является одной из самых простых визуальных моделей данных (графических нотаций).

На рисунке 5 представлена логическая структура БД программного комплекса, которая является реализацией диаграммы сущностных классов, представленных на рисунке 2 [9].

Рисунок 5 - Логическая структура базы данных

1.8 Выбор технических средств и ресурсный анализ

После построения логической модели данной системы необходимо произвести расчеты требуемых ресурсов памяти и времени реакции (быстродействия) системы. Эта оценка является приблизительной и должна характеризовать порядок величин при наихудших условиях функционирования системы. Расчет требуемых ресурсов памяти производится отдельно для внешней (долговременной) и оперативной памяти[7].

1.8.1 Расчет необходимого объема внешней памяти

Для расчета внешней памяти воспользуемся формулой (1):

,Мбайт (1)

- общий объём внешней памяти;

- объём внешней памяти, требуемый для хранения файлов операционной системы и её нормальной работы;

- объём внешней памяти, требуемый для хранения файлов СУБД;

- объём внешней памяти, требуемый для хранения записей БД и результатов выполнения функций;

- объём внешней памяти, необходимый для хранения информации.

Система работает под управлением операционной системы Microsoft Windows 7 с использованием MySQL.

= 2000 Мбайт; = 200 Мбайт.

Срок хранения информации составляет пять лет, рассчитаем необходимое количество внешней памяти[10].

Рассчитает количество записей для таблицы хранения результатов выборок (rslt).

Данные расчетов сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Расчет объёма данных

Таблица БД	Размер записи, байт	Max количество записей	Размер индекса, байт	Итого, байт
lectures lecture_answers lecture_questions student_groups tests test_cases test_case_answers test_questions test_question_options users	88	1000	101	101000
lecture_answers	56	10000	65	650000
lecture_questions	56	10000	65	650000
student_groups	56	1000	65	65000
tests	88	10000	14	140000
test_cases	36	10000	42	42000
test_case_answers	12	100000	14	1400000
test_questions	88	10000	101	1010000
st_question_options	88	10000	101	1010000
users	56	10000	101	1010000
Итого:	24960000

= 24.96 Мбайт;

= 334 Мбайт;

Сложив данные, получим:

= 2000+2000+24.96+334= 4358,96 Мбайт.

Таким образом, для сервера нам потребуется жесткий диск

объемом 250 Гб.

1.8.2 Расчет необходимого объема оперативной памяти

Формула, используемая для расчета требуемой оперативной памяти, аналогична формуле (1).

Расчеты характеристик для сервера:

= 334 Мбайт.

= 4,4 Мбайт;

= 256+2000+200+4,4=2460,4 Мбайт.

Результаты расчета объема кэша для хранения данных в оперативной памяти приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Расчет объема буферизации

Таблица БД	Размер записи, байт	Мах количество записей	Размер индекса, байт	Итого, байт
lectures	100	1000	101	101000
lecture_answers	100	10000	65	650000
lecture_questions	100	10000	65	650000
student_groups	50	1000	65	65000
tests	100	10000	14	140000
test_cases	100	10000	42	42000
test_case_answers	100	100000	14	1400000
test_questions	100	10000	101	1010000
st_question_options	100	10000	101	1010000
users	100	10000	101	1010000
Итого:	6078000

Поскольку оперативная память комплектуется модулями стандартного размера от 512 Мбайт до 8 Гбайт, мы выбираем два модуля на 2 Гбайт для сервера.

Расчеты характеристик для клиента:

= 0 Мбайт;

= 0,65 Мбайт;

= 256+10+0+0,65=264,65 Мбайт.

Поскольку оперативная память комплектуется модулями стандартного размера от 512 Мбайт до 8 Гбайт, мы выбираем один модуль на 512 Мбайт для клиента.

1.8.3 Расчет времени реакции системы

Расчет времени реакции системы должен дать оценку быстродействия системы. Временем реакции системы по какой-либо функции называется время от момента начала запроса на выполнение этой функции от внешнего источника запросов до момента окончания формирования результата по данной функции.

Общее время реакции системы на выполнение запроса рассчитывается по формуле (7):

(7)

,

,

,

,

.

- время на ввод входных данных запроса;

- коэффициент ошибок при вводе, для расчетов можно принять равным 1,5;

- количество символов, вводимых в качестве исходных данных запроса.

- время ввода одного символа, при ручном вводе с клавиатуры в некоторую экранную форму можно принять в среднем равным 2 с;

- время, затрачиваемое на считывание физических блоков при работе с накопителем;

- количество считываемых физических блоков, зависит от количества обрабатываемых таблиц (файлов) и объема таблиц (файлов);

=0,006 сек - время позиционирования головок дискового накопителя;

=0,001 сек - время считывания физического блока в дисковом накопителе;

- время, затрачиваемое процессором на обработку информации с учетом выполнения циклов;

= 1000 - количество операций высокого уровня, необходимых для формирования результата;

- среднее количество тактов машинных команд на одну операцию, для большинства случаев можно принять = 60;

= 1600*10⁶ - тактовая частота процессора, Гц;

= cредний объем таблицы, байт;

= 5 - количество таблиц, обрабатываемых в запросе;

= 512 байт - объем физического блока носителя, байт;

- время на вывод результата на устройство вывода или отображения, для принтера оценивается отдельно. Для дисплея можно принять 0,5 с. (зависит от видеокарты и дисплея).

Результаты расчета времени реакции системы приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Расчет времени реакции системы

Параметр	Значение
Vтабл=	2048
Nбл=	1600
tввода= (секунд)	2
Продолжение таблицы 4
tсчитыв= (секунд)	11,2
tвычисл= (секунд)	0,0699
tреакции=(секунд)	5,7

Таким образом, в худшем случае, для полной подготовки и вывода на экран отчета (?) может потребоваться 5,7 секунды, причем основная часть этого времени будет тратиться на работу с запоминающим устройством (итоговое время реакции)

1.8.4 Скорость передачи данных

7п= Vд / Vпр,

7п - скорость передачи данных;

Vд - объем данных;

Vпр - пропускная способность;

Vпр = 56 Кбит/с (как наихудшее соединение);

Vд = 30 символов*2 бита=60бит = 0,06 Кбит;

7п = 0,06 Кбит / 56 Кбит/с = 0,021071 c.

Таким образом: 0,021071 c. - скорость передачи данных при наихудшем соединении.

1.8.5 Требования к комплексу технических средств

Сервер:

­ процессор класса Pentium с тактовой частотой 3 ГГц и выше;

­ рекомендуемый объем оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 4096 Мбайт;

­ жесткий диск емкостью не менее 250 Гбайт;

­ видеокарта может быть любой, т.к. нет требований к производительности видеосистемы.

Клиент:

­ процессор класса Pentium с тактовой частотой 2,4 ГГц и выше;

­ рекомендуемый объем оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 2048 Мбайт;

­ жесткий диск емкостью не менее 120 Гбайт;

­ видеокарта может быть любой, т.к. нет требований к производительности видеосистемы.

­

2. КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Выбор и обоснование архитектуры системы

Для реализации проекта была выбрана двухуровневая архитектура клиент-сервер, данная архитектура получила распространение в начале 1990х годов на фоне роста рынка персональных компьютеров. Технология «клиент-сервер» разделяет информационную систему на два уровня: представления и хранения данных[23].

Первый уровень - клиентские компьютеры с прикладными программами, с помощью которых пользователи обращаются по сети к базе данных.

Второй уровень - сервер с размещенной на нем базой данных.

Благодаря двухуровневой архитектуре снижается нагрузка на информационную сеть, поскольку передаются только запросы и ответы на них.

Другой важнейший принцип клиент-серверной архитектуры: информация вводится в систему только один раз. Благодаря этому отпадает необходимость дублирования одних и тех же данных работниками различных подразделениях предприятия, что резко снижает риск ошибок в информационной системе. Архитектура представлена на рисунке 7.

Рисунок 6 - Клиент-серверная архитектура

В целях расширяемости и дальнейшего развития было принято реализовать систему с применением модульной архитектуры[24]. Библиотеки, используемые в реализации, являются стандартными и находятся в свободном доступе. Эти библиотеки реализуют стандартные методы и средства. Другая составная часть системы -- пользовательский интерфейс клиента, использующего классы и методы библиотек визуализации. Они делают интерфейс более «гладким» и приятным при долговременной работе. Также выделен отдельный модуль для взаимодействия с базой данных.

2.2 Выбор и обоснование средств комплекса программно-технических средств

2.2.1 Выбор операционной системы

Для нормального функционирования системы должна стоять операционная система Windows[15]. Последние несколько лет Windows -- самая популярная операционная система на рынке персональных компьютеров. Системы Windows работают на всех современных платформах, таких как x86, AMD64, IA-64. В настоящее время Microsoft Windows установлена более чем на 70% всех персональных компьютеров и рабочих станций. В России до начала 2000-х годов почти все персональные компьютеры продавались с предустановленной системой Windows. Операционная система Windows предоставляет удобные механизмы для управления работой приложений, а также предоставляет интуитивно-понятный интерфейс[16] для пользователя.

2.2.2 Выбор языка программирования и среды разработки

В качестве языка программирования был выбран Php; phpStorm.PhpStorm -- коммерческая кросс-платформенная интегрированная среда разработки для PHP. Разрабатывается компанией JetBrains на основе платформы IntelliJ IDEA.

PhpStorm представляет собой интеллектуальный редактор для PHP, HTML[17] и JavaScript[18] с возможностями анализа кода на лету, предотвращения ошибок в коде и автоматизированными средствами рефакторинга для PHP и JavaScript. Автодополнение кода в PhpStorm поддерживает спецификацию PHP 5.3 и 5.4 (современные и традиционные проекты), включая пространства имен, замыкания, типажи и синтаксис коротких массивов. Имеется полноценный SQL-редактор с возможностью редактирования полученных результатов запросов.

PhpStorm разработан на основе платформы IntelliJ IDEA, написанной на Java. Пользователи могут расширить функционал среды разработки за счет установки плагинов, разработанных для платформы IntelliJ, или написав собственные плагины.

PhpStorm предоставляет богатый и интеллектуальный редактор кода для PHP с подсветкой кода, расширенной конфигурацией форматирования кода, проверкой на наличие ошибок на лету и умным автодополнением.

­ Поддержка PHP 5.3 и 5.4, включая пространства имен, замыкания, типажи, синтаксис коротких массивов, доступ к члену класса при инстанциировании, разыменование массива при вызове функции, бинарные литералы, выражения в статичных вызовах и т. д. PhpStorm может использоваться как для современных, так и для традиционных проектов на PHP.

­ Автодополнение кода финализирует классы, методы, имена переменных, ключевые слова PHP, а также широко используемые имена полей и переменных в зависимости от их типа.

­ Поддержка стандартов оформления кода (PSR1/PSR2, Drupal, Symfony2, Zend).

­ Поддержка PHPDoc. PhpStorm предоставляет соответствующее автодополнение кода, основанное на аннотациях @property, @method и @var.

­ Детектор дублируемого кода.

­ PHP Code Sniffer (phpcs), проверяющий код на лету.

­ Рефакторинги (Переименование, Введение переменной/константы/поля, Встраивание переменной).

­ Поддержка редактирования шаблонов Smarty (подсвечивание синтаксических ошибок, автодополнение функций и атрибутов Smarty, автоматическая вставка парных скобок, кавычек и закрывающих тегов и др.).

­ MVC представление для Symfony2 и Yii фреймворков.

­ Распознавание кода, запакованного в PHAR-архивы.

­ Легко конфигурируемый визуальный отладчик (Xdebug, Zend Debugger) для проверки соответствующих контексту локальных переменных и заданных пользователем объектов слежения, в том числе массивов и сложных объектов, а также редактирования значений на лету.

­ Интеграция с профилировщиком: скрипты можно профилировать прямо из PhpStorm с помощью Xdebug или Zend Debugger. Доступен агрегированный отчет; пользователь может перейти от статистики исполнения прямо к функции в PHP коде.

­ Интеграция с фреймворком модульного тестирования PHPUnit (тесты PHPUnit можно разрабатывать в PhpStorm и сразу запускать из директории, файла или класса с помощью контекстного меню) с покрытием кода (code coverage).

AJAX, подход к построению интерактивных пользовательских интерфейсов веб-приложений, заключающийся в «фоновом» обмене данными браузера с веб-сервером. В результате, при обновлении данных веб-страница не перезагружается полностью, и веб-приложения становятся быстрее и удобнее[19].

Модель классических приложений для сети (слева) в прямом сравнении с применением Ajax (справа) на рисунке 7.

Рисунок 7 - Модель классических приложений для сети и модель с применением AJAX

AJAX -- не самостоятельная технология, а концепция использования нескольких смежных технологий. AJAX базируется на нескольких принципах, таких как использование технологии динамического обращения к серверу «на лету», без перезагрузки всей страницы полностью, например:

­ с использованием XMLHttpRequest (основной объект);

­ через динамическое создание дочерних фреймов

­ через динамическое создание тега <script>

­ через динамическое создание тега <img>, как это реализовано в google analytics.

­ использование DHTML для динамического изменения содержания страницы;

Действия с интерфейсом преобразуются в операции с элементами DOM (англ. Document Object Model), с помощью которых обрабатываются данные, доступные пользователю, в результате чего представление их изменяется. Здесь же производится обработка перемещений и щелчков мышью, а также нажатий клавиш. Каскадные таблицы стилей, или CSS (англ. Cascading Style Sheets), обеспечивают согласованный внешний вид элементов приложения и упрощают обращение к DOM-объектам. Объект XMLHttpRequest (или подобные механизмы) используется для асинхронного взаимодействия с сервером, обработки запросов пользователя и загрузки в процессе работы необходимых данных.

Три из этих четырех технологий -- CSS[20], DOM и JavaScript -- составляют DHTML (Dynamic HTML). По мнению некоторых специалистов средства DHTML, появившиеся в 1997 году, подавали большие надежды, но так и не оправдали их.

В качестве формата передачи данных могут использоваться фрагменты простого текста, HTML-кода, JSON или XML

2.2.3 Выбор СУБД

MySQL -- свободная реляционная система управления базами данных. Разработку и поддержку MySQL осуществляет корпорация Oracle, получившая права на торговую марку вместе с поглощённой Sun Microsystems, которая ранее приобрела шведскую компанию MySQL AB[21]. Продукт распространяется как под GNU General Public License, так и под собственной коммерческой лицензией. Помимо этого, разработчики создают функциональность по заказу лицензионных пользователей, именно благодаря такому заказу почти в самых ранних версиях появился механизм репликации.

MySQL является решением для малых и средних приложений. Входит в состав серверов WAMP, AppServ, LAMP и в портативные сборки серверов Денвер, XAMPP. Обычно MySQL используется в качестве сервера, к которому обращаются локальные или удалённые клиенты, однако в дистрибутив входит библиотека внутреннего сервера, позволяющая включать MySQL в автономные программы.

Гибкость СУБД MySQL обеспечивается поддержкой большого количества типов таблиц: пользователи могут выбрать как таблицы типа MyISAM, поддерживающие полнотекстовый поиск, так и таблицы InnoDB, поддерживающие транзакции на уровне отдельных записей. Более того, СУБД MySQL поставляется со специальным типом таблиц EXAMPLE, демонстрирующим принципы создания новых типов таблиц. Благодаря открытой архитектуре и GPL-лицензированию, в СУБД MySQL постоянно появляются новые типы таблиц.

Nginx -- веб-сервер и почтовый прокси-сервер, работающий на Unix-подобных операционных системах (тестировалась сборка и работа на FreeBSD, OpenBSD, Linux, Solaris, Mac OS X, AIX и HP-UX). Начиная с версии 0.7.52 появилась бинарная сборка под Microsoft Windows.

В nginx рабочие процессы обслуживают одновременно множество соединений, мультиплексируя их вызовами операционной системы select, epoll (Linux) и kqueue (FreeBSD). Рабочие процессы выполняют цикл обработки событий от дескрипторов (см. Событийно-ориентированное программирование). Полученные от клиента данные разбираются с помощью конечного автомата. Разобранный запрос последовательно обрабатывается цепочкой модулей, задаваемой конфигурацией. Ответ клиенту формируется в буферах, которые хранят данные либо в памяти, либо указывают на отрезок файла. Буферы объединяются в цепочки, определяющие последовательность, в которой данные будут переданы клиенту. Если операционная система поддерживает эффективные операции ввода-вывода, такие как writev и sendfile, то nginx применяет их по возможности.

Конфигурация HTTP-сервера nginx разделяется на виртуальные серверы (директива server). Виртуальные серверы разделяются на location'ы (location). Для виртуального сервера возможно задать адреса и порты, на которых будут приниматься соединения, а также имена, которые могут включать * для обозначения произвольной последовательности в первой и последней части, либо задаваться регулярным выражением.

location'ы могут задаваться точным URI, частью URI, либо регулярным выражением. location'ы могут быть сконфигурированы для обслуживания запросов из статического файла, проксирования на fastcgi/memcached сервер.

Для эффективного управления памятью nginx использует пулы. Пул -- это последовательность предварительно выделенных блоков динамической памяти. Длина блока варьируется от 1 до 16 килобайт. Изначально под пул выделяется только один блок. Блок разделяется на занятую область и незанятую. Выделение мелких объектов выполняется путём продвижения указателя на незанятую область с учётом выравнивания. Если незанятой области во всех блоках не хватает для выделения нового объекта, то выделяется новый блок. Если размер выделяемого объекта превышает значение константы NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL, либо длину блока, то он полностью выделяется из кучи.

Таким образом, мелкие объекты выделяются очень быстро и имеют накладные расходы только на выравнивание.

Apache[22] является кроссплатформенным ПО, поддерживает операционные системы Linux, BSD, Mac OS, Microsoft Windows, Novell NetWare, BeOS.

Основными достоинствами Apache считаются надёжность и гибкость конфигурации. Он позволяет подключать внешние модули для предоставления данных, использовать СУБД для аутентификации пользователей, модифицировать сообщения об ошибках и т. д. Поддерживает IPv6.

Apache HTTP Server поддерживает модульность. Существует более 500 модулей, выполняющих различные функции. Часть из них разрабатывается командой Apache Software Foundation, но основное количество -- отдельными open source-разработчиками.

Модули могут быть как включены в состав сервера в момент компиляции, так и загружены динамически, через директивы конфигурационного файла.

В модулях реализуются такие вещи, как:

­ Поддержка языков программирования.

­ Добавление функций.

­ Исправление ошибок или модификация основных функций.

­ Усиление безопасности.

Часть веб-приложений, например панели управления ISPmanager и VDSmanager реализованы в виде модуля Apache.

2.3 Диаграммы поведения

2.3.1 Диаграмма состояний (StatechartDiagram)

Главное предназначение этой диаграммы - описать возможные последовательности состояний и переходов, которые в совокупности характеризуют поведение элемента модели в течение его жизненного цикла. Диаграмма состояний представляет динамическое поведение сущностей, на основе спецификации их реакции на восприятие некоторых конкретных событий.

Диаграмма состояний по существу является графом специального вида, который представляет некоторый автомат. Вершинами этого графа являются состояния (или псевдо состояния). Дуги графа служат для обозначения переходов из состояния в состояние. Диаграммы состояния могут быть вложены друг в друга, образуя вложенные диаграммы более детального представления отдельных элементов модели.

После начала работы система находится в состоянии «Ожидание действий пользователя». Преподаватель может перевести систему в одно из основных состояний: «Создание теста», «Регистрация нового пользователя», «Редактирование зарегистрированного пользователя», «Интерактивные лекции».

Диаграмма состояний системы в целом представлена на рисунке 8.



Рисунок 8 - Диаграмма состояний ИС. Работа с приложением

2.3.2 Диаграмма последовательности

Для моделирования взаимодействия объектов в языке UML используются соответствующие диаграммы взаимодействия. Так, взаимодействия объектов можно рассматривать во времени, и тогда для представления временных особенностей передачи и приема сообщений между объектами используется диаграмма последовательности.

На диаграмме последовательности изображаются объекты, которые непосредственно участвуют во взаимодействии и не показываются возможные статические ассоциации с другими объектами. Для диаграммы последовательности ключевым моментом является именно динамика взаимодействия объектов во времени.

Диаграмма последовательности «Создание теста» приведена на рисунке 9.

Основными объектами на этой диаграмме выступают:

Преподаватель - активный объект, инициирующий запросы и получающий результаты их обработки.

Класс Главная страница системы - главная страница системы.

Класс Добавление теста - форма, позволяющая преподавателю создать тест.

Менеджер СУБД - формирует запросы к БД.

Рисунок 9 - Диаграмма последовательности «Создание теста»

2.3.3 Диаграмма кооперации

Диаграмма кооперации - это динамическая модель системы обмена сообщений между объектами.

Кооперация - описание общего расположения объектов и связей, которые взаимодействуют для обеспечения некоторого поведения (например, такого, как вариант использования или операция).

Кооперация имеет статическую и динамическую части. В статической описываются роли, которые могут играть объекты и их связи в экземпляре данной кооперации. Динамическая состоит из одного или более взаимодействий, характеризующихся потоками сообщений, которыми обмениваются между собой участники коопераций.

Диаграмма кооперации «Отчёт о результатах тестирования» представлена на рисунке 10.



Рисунок 10 - Диаграмма кооперации «Отчёт о результатах тестирования»

2.4 Разработка физической модели базы данных

Основными компонентами физической базы данных являются физические блоки, хранимые записи, указатели, данные переполнения и промежутки между блоками. Взаимосвязи между хранимыми записями, возникающие в результате их группирования или использования индексных структур, могут также рассматриваться как часть физической структуры.

Результатом физического проектирования является полностью готовая к внедрению структура БД. Физическая модель данных ориентирована на конкретную СУБД.

Логический уровень позволяет давать объектам имена более понятные специалистам предметной области. На физическом уровне объекты БД необходимо называть так, как того требуют ограничения СУБД (например, словами, состоящими из латинских букв, без использования специальных символов).

Переход на физический уровень достигается определением названий таблиц, соответствующих сущностям, а также названия и типы данных для полей, представляющих атрибуты сущностей. С точки зрения реляционной БД таблица (сущность) состоит из набора строк (кортежей) и столбцов (атрибутов). Каждый столбец таблицы предназначен для хранения данных определенного типа.

Для реализации базы данных системы выбрана СУБД MySQL. База данных MySQL состоит из совокупности таблиц, в которых хранятся некоторые наборы структурированных данных. Корректность данных таблиц обеспечивается различными управляющими объектами (ограничениями, правилами, триггерами, значениями по умолчанию и специализированными пользовательскими типами данных), которые также являются составной частью базы данных MySQL.

Соответствие названий таблиц базы данных названиям отношений приведено в таблице Таблица .

Таблица 5 - Соответствие между отношениями и таблицами базы данных

Название отношения (логический уровень)	Название таблицы (физический уровень)
Пользователь	Users
Тест	Test_cases
Вопрос	Test_question
Лекции	Lectures
Ответ на лекцию	Lecture_answers
Тестирование	Test
Группа	Student_groups
Продолжение таблицы 5
Лекция Вопрос	Lecture_questions
Вариант ответа	Test_case_answers
Ответ	Test_question_options

Физическая модель базы данных системы представлена на рисунке 11.



Рисунок 11 - Физическая модель базы данных системы

2.5 Описание реализации системы

Разработанная информационная система содержит 5 контроллеров, каждый отвечает за определенный тип действий:

­ group.controller.php;

­ groups.controller.php;

­ index.controller.php;

­ lecture.controller.php;

­ test.controller.php.

Модульность -- принцип построения технических систем, согласно которому функционально связанные части группируются в законченные узлы -- модули.

­ Панель управления (index.controller.php) - проверяет уровень доступа и соответственно ему генерирует списки лекций и тестов, или показывает форму авторизации.

­ Группы (groups.controller.php) - при заявке на добавление запускает процессор добавления. Выводит список групп в шаблон, запускает процессоры при редактировании или удалении. Нажав на кнопку удаления мы обращаемся к базе данных от прав пользователя администратора и можем удалить нужную нам. Нажав на кнопку редактирования мы увидим список студентов состоящих в этой группе, где можно отредактировать отдельно любого студента.

­ Лекции (lecture.controller.php) - при заявке на добавление запускает процессор добавления лекции, где мы можем дать название лекции выбрать группу где эта лекция будет проходить. Данный контроллер выводит список лекций в шаблон, запускает процессоры при редактировании, удалении, включает в себя дочерние контроллеры вопросов, ответов, answer контроллер для AJAX позволяет редактировать ответ «на лету», схема работы AJAX показана на рисунке 7.

...