Информационная система формирования индивидуальных учебных планов при компетентностной парадигме обучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к дипломному проекту на тему:

Информационная система формирования индивидуальных учебных планов при компетентностной парадигме обучения

РЕФЕРАТ

Дипломный проект.

Пояснительная записка: 93 с., 28 рис., 14 табл., 15 источников, 5 приложений.

Графическая документация: 12 л. А4.

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА, УЧЕБНЫЙ ПЛАН, КОМПЕТЕНЦИЯ, СТУДЕНТ, КОМПЕТЕНТНОСТНЫЙ ПОДХОД.

Объектом проектирования является информационная система формирования индивидуальных учебных планов.

Цель работы - создание опытного образца системы для факультета информационных систем и технологий с целью формирования индивидуальных учебных планов для студента, который основывается на компетентностном выборе студентов.

Разработана информационная система по методологии UML.

Результатом разработанной информационной системы является формируемый отчет об индивидуальном учебным планом для студентов. Отчет разделяет каждую группу студентов на 2 подгруппы с уникальным набором дисциплин для изучения.

Предложены эффективные алгоритмы формирования индивидуальных учебных планов. Выполнено технико-экономическое обоснование проекта, рассмотрены вопросы безопасности жизнедеятельности при функционировании системы.

ВВЕДЕНИЕ

индивидуальный учебный план студент

В настоящее время российская система высшего образования переходит на государственные стандарты нового поколения. Данное введение обусловлено рядом факторов:

- экономическая неопределенность, вызывающая необходимость непрерывного повышения уровня образования, квалификации;

- децентрализация процесса принятия решений, требующая от специалистов способности работать самостоятельно, анализировать сложные ситуации, принимать решения;

- распространение информационных технологий;

- глобализация экономики.

К данному моменту, приоритетный показатель качества подготовки выпускника, на рынке труда, готовность быстро, без особых затрат, адаптироваться к рабочему месту и соответствовать профессиональным требованиям специальности.

Основа нового стандарта - компетентностный подход. Компетенция рассматривается как социально-дидактическая структура личности, основанная на ценностной ориентации, знаниях, опыте, приобретенном как в процессе обучения, так и вне него. В ней также выражена внутренняя мотивация готовность личности применять и получать новые знания.

В результате данной работы должна быть разработана информационная система, с помощью которой можно формировать индивидуальный план обучения для студентов.

Расчет осуществляется для конкретно заданного промежутка времени, а именно каждый семестр. Было введено предположение, что человек может стать наиболее компетентным только в тех областях, к которым он предрасположен. Так как данное предположение включено в расчет, то наибольшее временное распределение оказывается именно на данных видах деятельности. Следствием этого является более высокая компетентность конкретного студента. Традиционная форма образования не направлена на подобный результат

В набор компетенций могут быть включены и такие качества как: лидерство, умение работать в коллективе, способность принимать решения и использование знаний. Эти качества вырабатываются в процессе внеаудиторной деятельности, которая таким образом, становится важной частью обучения, как и учебная деятельность.

1. СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Описание и системный анализ эволюции предметной области

Понятия «компетентностный подход» и «ключевые компетентности» получали распространение сравнительно недавно в связи с дискуссиями о проблемах и путях модернизации российского образования. Обращение к этим понятиям связано со стремлением определить необходимые изменения в образовании, в том числе в школьном, обусловленные изменениями, происходящими в обществе [1].

Сейчас уже появились крупные научно-теоретические и научно-методические работы, в которых анализируются сущность компетентностного подхода и проблемы формирования ключевых компетентностей, например, монография А.В. Хуторского «Дидактическая эвристика. Теория и технология креативного обучения» [2].

Понятийный аппарат, характеризующий смысл компетентностного подхода в образовании, ещё не устоялся. Тем не менее можно выделить некоторые существенные черты этого подхода. Компетентностный подход -- это совокупность общих принципов определения целей образования, отбора содержания образования, организации образовательного процесса и оценки образовательных результатов. К числу таких принципов относятся следующие положения:

- смысл образования заключается в развитии у обучаемых способности самостоятельно решать проблемы в различных сферах и видах деятельности на основе использования социального опыта, элементом которого является и собственный опыт учащихся;

- содержание образования представляет собой дидактически адаптированный социальный опыт решения познавательных, мировоззренческих, нравственных, политических и иных проблем;

- смысл организации образовательного процесса заключается в создании условий для формирования у обучаемых опыта самостоятельного решения познавательных, коммуникативных, организационных, нравственных и иных проблем, составляющих содержание образования;

- оценка образовательных результатов основывается на анализе уровней образованности, достигнутых учащимися на определённом этапе обучения.

Привлекательность компетентностного подхода заключается в том, что он имеет очень практичную философию и направленность. В его рамках конечная цель всякого обучения состоит в том, чтобы человек освоил такие формы поведения, и приобрел такой набор знаний, умений и личностных характеристик, который позволит ему успешно осуществлять ту деятельность, которой он планирует заниматься, то есть - овладел набором необходимых для этого компетенций.

Иными словами, обучающийся должен не только получить некий массив знаний и отработать совокупность умений - по завершении обучения он должен мочь и хотеть делать то, ради чего все обучение и затевалось. Понятно, что разница между двумя этими итогами огромна.

Итак, компетенции - это не просто знания и умения, это владение такими формами поведения и индивидуальными характеристиками, которые необходимы для успешной деятельности в той или иной ситуации. За поведением этим, конечно, стоят и знания, и умения, но не только они. Не менее важное значение имеют личностные черты, установки, ценности, убеждения, эмоции, способность ладить с людьми и самооценка.

Таким образом, в рамках компетентностного подхода образование и обучение становится комплексным, многофакторным. Учащимся передаются не только знания и навыки - и не всякие знания и навыки, а лишь те, которые нужны для развития необходимых компетенций. Ведется также психологическая подготовка, формируются нужные установки, развиваются определенные личностные качества, нарабатываются конкретные алгоритмы эффективной деятельности.

По своей природе компетентностный подход в обучении и образовании является очень целевым. Обучается не просто специалист широкого профиля, а человек, который будет хорошо уметь выполнять совершенно конкретный круг работ. В корпоративном обучении такой способ особенно понятен и целесообразен: сотрудники, которые имеют обширную теоретическую подготовку, но толком не умеют ничего делать, мало кому нужны. А учитывая, что обучение персонала в компаниях ведется с совершенно определенными бизнес-целями, оно и должно быть очень структурированным. Поэтому множество компаний уже считает модели и профили компетенций краеугольным камнем управления персоналом вообще, и системы корпоративного обучения - в частности.

Однако, компетентностный подход может сделать эффективнее и системы формального образования: молодые специалисты, обученные в его рамках, наверняка чувствовали бы себя на рынке труда гораздо увереннее, и легче адаптировались бы в организациях, получив работу.

В проектируемой системе индивидуальный учебный план должен не только формироваться для каждого студента, но и делить группы студентов на подгруппы. Кроме того в системе учитывается то, что учебные дисциплины могут быть, как обязательными для изучения - то есть на данном факультете они идут, как основные, так и дополнительные - дисциплины, которые могут быть изучены на разных факультетах в не зависимости от специальности и именно они должны быть включены в учебный план. Но в системе есть справочник оценок студентов по пройденным дисциплинам и поэтому список дисциплин для изучения каждый семестр уникален - индивидуальный план не может включать дисциплины, которые были уже изучены.

Для данной задачи была разработана математическая модель, которая позволяет учитывать все особенности и нюансы разработанной системы. Рассмотрим разработанную математическую модель:

i - номер учебной дисциплины, где i=1,…i;

j - номер компетенции, где j=1,…j;

O_i - оценки студента по i-дисциплине, где O_i ? {3, 4, 5};

a_i,j - коэффициэнт влияния i-дисциплины на формирование j-компетенции, где a_i,j ? {0,1};

U_j - признак включения дисциплины в учебный план, где U_j ? {0,1};

x_j - степень, сформированности j компетенции за счет изучения студентом всех дисциплин студента учебного плана, x_j ? x_min. Тогда:

(1)

C_j - коэффициент важности j-компетенции с позиции интересов студента, где С_j ? {0,1}

X - компетентностная ценность учебного плана с позиции студента

K - номер студента

Рассмотрим случай двух потоков (две группы).

Z_K = {0,1} - переменная, номер индивидуального потока. Тогда:

X¹ = - ценность учебного плана для 1 потока(2)

X⁰ = - ценность учебного плана для 0 потока(3)

X = , где N - количество студентов(4)

Также необходимо учитывать продолжительность промежутка времени, а именно суммарные часы по всем дисциплинам. Для этого введем время по каждой дисциплине.

b_j - трудоемкость i-дисциплины;

А значит, суммарная трудоемкость будет вычислена следующим образом:

(5)

В случае рассмотрения семестра, должно быть удовлетворено следующее условие:

(6)

Но это в общем случае. Если же взять отдельно каждый семестр, в который должны быть включены только дополнительные дисциплины, то нужно выполнять следующие условия:

t_i - объем времени, отведенного на дисциплину (в часах);

T - общий объем учебного плана;

Y_i (0,1) - признак того, что дисциплину включена в поток 0 или 1;

U_i (1-y_i) - если i-тая дисциплина включена в поток 0;

U_iy_i-1 - если i-тая дисциплина включена в поток 1.

(7)

где погрешность в часах

(8)

(9)

1.2 Обзор существующих систем формирования индивидуального учебного плана студента

В разрабатываемой информационной системе существует набор компетенций. В свою очередь они разделяются на два типа:

1) ОК - основная компетенция

2) ПК - профессиональная компетенция.

Для поиска аналогов возьмем все основные компетенции ОК.

ОК-1 - владение культурой мышления, способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения, умение логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь

ОК-2 - готовность к кооперации с коллегами, работе в коллективе; знание принципов и методы организации и управления малыми коллективами; способность находить организационно-управленческие решения в не стандартных ситуациях и готов нести за них ответственность

ОК-2 - понимание социальной значимости своей будущей профессии, обладание высокой мотивацией к выполнению профессиональной деятельности

ОК-4 - способность научно анализировать социально значимые проблемы и процессы, умение использовать на практике методы гуманитарных, экологических, социальных и экономических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности

ОК-5 - умение применять методы и средства познания, обучения и самоконтроля для интеллектуального развития, повышения культурного уровня, профессиональной компетенции, сохранения своего здоровья, нравственного и физического самосовершенствования

ОК-6 - владение широкой общей подготовкой (базовыми знаниями) для решения практических задач в области информационных систем и технологий

ОК-7 - умение критически оценивать свои достоинства и недостатки, наметить пути и выбрать средства развития достоинств и устранения недостатков

ОК-8 - осознание значения гуманистических ценностей для сохранения и развития современной цивилизации; готовность принять нравственные обязанности по отношению к окружающей природе, обществу, другим людям и самому себе

ОК-9 - знание свои прав и обязанностей как гражданина своей страны; использование действующего законодательства, другие правовые документы в своей деятельности; демонстрация готовности и стремления к совершенствованию и развитию общества на принципах гуманизма, свободы и демократии

ОК-10 - готовность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования

ОК-11 - способность к письменной, устной и электронной коммуникации на государственном языке и необходимое знание иностранного языка (хороший английский язык)

ОК-12 - владение основными методами защиты производственного персонала и населения от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий

ОК-13 - владеет средствами самостоятельного, методически правильного использования методов физического воспитания и укрепления здоровья, готов к достижению должного уровня физической подготовленности для обеспечения полноценной социальной и профессиональной деятельности.

При поиске в Интернет информацию связанную в той или иной степени с этими компетенциями, с целью найти аналог разрабатываемой информационной системы, не было выявлено аналога системы формирования индивидуального учебного плана, основанного на компетентностной парадигме обучения.

1.3 Обоснование класса проектируемой системы

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

- вести справочники;

- формировать индивидуальный учебный план;

- формировать отчеты.

1.4 Цели проектирования

Разработка автоматизированной информационной системы, которая реализует:

1) ведение справочной информации:

- дисциплин;

- компетенций;

- студентов;

- групп;

- семестров;

- пользователей;

- оценок студентов по пройденным дисциплинам.

2) ввод и редактирования исходных данных:

- предметов;

- компетенций;

- студентов;

- групп;

- дисциплин;

- компетенций;

- студентов;

- групп;

- семестров;

- пользователей;

- оценок студентов по пройденным дисциплинам.

3) авторизация пользователя и определение его прав;

4) выбор студентами компетенций;

5) формирование индивидуального учебного плана для двух подгрупп.

1.5 Используемые средства разработки

1.5.1 Краткое описание методологии UML

Унифицированный язык моделирования (UML) является стандартным инструментом для создания "чертежей" программного обеспечения [3]. С помощью UML можно визуализировать, специфицировать, конструировать и документировать артефакты программных систем.

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 [4].

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:

- 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

Диаграмма вариантов использования описывает функциональное назначение системы [3,4]. Проектируемая система представляется в виде множества сущностей или актеров, взаимодействие которых с системой отображается в виде взаимосвязанных вариантов использования.

Диаграмма вариантов использования 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. Система содержит 3 актанта: студент, сотрудник кафедры и администратор. Каждый может войти в систему. У студента есть возможность выбрать интересующие его компетенции. Сотрудник кафедры имеет право изменять справочную информацию, такую как:

- справочник дисциплин;

- справочник компетенций;

- справочник студентов;

- справочник групп;

Кроме того, ему доступно формирование отчетов. Администратор также обладает правами вести справочную информацию: добавлять, редактировать и удалять сведения справочников.



Рисунок 1 - Диаграмма вариантов использования

1.6.2 Сценарии вариантов использования

Сценарий - текстовое описание последовательности действий, необходимых для выполнения экземпляра варианта использования. Сценарий пишется по определённому шаблону. 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. 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. Сценарии вариантов использования для программного комплекса представлены ниже [4].

Ведение справочника дисциплин

Вариант использования: Ведение справочника дисциплин.

Краткое описание: Позволяет Администратору БД вести добавлять, редактировать и удалять записи об изучаемых дисциплинах

Актант: Администратор БД.

Предусловия: Выполнен вариант использования «Ведение справочников» до точки расширения, соответствующей началу ведения «Справочника дисциплин». На экране - главное окно приложения с пунктами меню, настроенное на права Администратора БД.

Основной поток событий.

1. Администратор БД выбирает пункт меню «Справочники» и далее подпункт «Справочник дисциплин».

2. Система выводит форму справочника дисциплин в виде таблицы со столбцами: «Название дисциплины», «Код дисциплины», «Трудоемкость дисциплины» и «Семестр дисциплины». На форме расположены кнопки «Добавить», «Изменить», «Удалить», «Закрыть» и «Сохранить». Таблица заполнена записями о дисциплинах, имеющимися в БД, упорядоченными по возрастанию номеров дисциплин. По умолчанию курсор расположен в первом поле в первой записи. Кнопка «Сохранить» не активна.

3. Администратор БД нажимает кнопку «Добавить»

А1: Редактирование.

А2: Удаление.

А3: Закрытие формы

4. Система отображает окно с полями «Название дисциплины», «Код дисциплины», «Трудоемкость дисциплины» и «Семестр дисциплины», а также с кнопками «Добавить» и «Отмена». Администратор БД вводит необходимую информацию в поля «Название дисциплины», «Код дисциплины» и «Трудоемкость дисциплины», а так же выбирает семестр в поле «Семестр дисциплины» и нажимает кнопку «Добавить».

А4: Дублирование кода или названия дисциплины.

5. Система проверяет правильность введенных данных и добавляет в БД новую дисциплину. Вариант использования завершается успешно.

Альтернативы.

А1: Редактирование.

А1.1. Администратор БД выбирает строку с нужной ему дисциплиной и щелкает кнопку «Изменить».

А1.2. Система отображает окно с полями «Название дисциплины», «Код дисциплины», «Трудоемкость дисциплины» и «Семестр дисциплины», а также с кнопками «Изменить» и «Отмена». Администратор БД вводит необходимую информацию в поля «Название дисциплины», «Код дисциплины» и «Трудоемкость дисциплины», а так же выбирает семестр в поле «Семестр дисциплины» и нажимает кнопку «Изменить».

А.1.3. Система проверяет правильность введенных данных и изменяет выбранную запись в БД. Вариант использования завершается успешно.

А2: Удаление.

А2.1. Администратор БД выбирает строку с информацией о какой-либо дисциплине и щелкает кнопку «Удалить».

А2.2 Система удаляет выбранную запись из БД. Вариант использования завершается успешно.

А3: Закрытие формы.

А3.1 Администратор нажимает кнопку «Закрыть»

А3.2 Система отображает форму со справочниками. Вариант использования завершается успешно.

А4: Дублирование названия дисциплины.

А4.1. Система выводит сообщение о том, что допущено дублирование названия дисциплины с кнопкой «ОК».

А4.2. Администратор БД просматривает сообщение и щелкает кнопку «ОК».

А4.3. Система закрывает сообщение и устанавливает курсор в первое поле с ошибкой.

А4.4. Администратор БД исправляет ошибки, перемещая курсор по мере необходимости и щелкает кнопку «Добавить».

А4.5. Выполняется пункт 5 основной последовательности.

Формирование отчета об индивидуальном плане обучения

Вариант использования: Формирование отчета об индивидуальном плане обучения.

Краткое описание: Позволяет сотруднику кафедры формировать отчет об индивидуальном плане обучения.

Актант: Сотрудник кафедры.

Предусловия: Выполнен вариант использования «Формирование отчета об индивидуальном плане обучения». На экране - главное окно приложения с пунктами меню, настроенное на права сотрудника кафедры

Основной поток событий.

1. Сотрудник кафедры выбирает пункт меню «Сформировать отчет об индивидуальном плане обучения»

2. Система выводит форму формирования отчета с выпадающими списками групп, а также кнопками «Сформировать отчет» и «Отмена».

3. Сотрудник кафедры выбирает из списка групп необходимую группу и нажимает кнопку «Сформировать отчет».

А1: Отмена.

4. Система формирует отчет об индивидуальном плане обучения для выбранной группы. Вариант использования завершается успешно.

Альтернативы.

А1: Отмена.

А1.1. Сотрудник кафедры нажимает кнопку «Отменить».

А1.2. Система закрывает форму формирования отчетов и отображает главную форму приложения, настроенную на права сотрудника кафедры. Вариант использования завершается успешно.

1.6.3 Диаграммы классов

Класс - описание множества объектов, обладающих общими атрибутами, операциями, отношениями и поведением. Класс является результатом операции обобщения [3,4]. Поэтому класс - всегда абстрактное понятие. Задание конкретных значений атрибутов и определяет экземпляр класса - объект, обладающий конкретным поведением. Объект может появляться во всех отношениях класса и всех его предков.

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. [1]

Класс имеет имя, списки атрибутов, операций или методов.

Операция - спецификация (описание) результата преобразования или запроса, которые должен выполнить вызываемый объект. Имеет имя и список параметров.

Метод - процедура, непосредственно реализующая операцию; у нее есть алгоритм и описание процедуры. Обычно метод задаётся на физическом уровне представления класса в модели проектирования, когда уже выбран алгоритм и способ его реализации.

Атрибуты класса - свойства или характеристики данного класса, которые могут принимать только одно значение из некоторого множества значений определенного типа.

Классы могут находиться между собой в различных отношениях (связях). Базовыми отношениями являются:

- отношения зависимости;

- отношения ассоциации;

- отношения обобщения;

- отношения реализации.

Классы по своей роли в системе делятся на группы:

Сущностные классы. Объекты этих классов представляют собой блоки длительно хранимой информации, используемые для организации баз данных и знаний, файловых систем хранения данных различной логической структуры; в основном в этих классах развит атрибутный раздел, однако имеется небольшое число операций контроля ограничений целостности, как стандартных, так и специфичных для данной предметной области. Диаграмма сущностных классов представлена на рисунке 2. Рассмотрим основные сущности программы:

- предмет. Данная сущность содержит в себе информацию о дисциплинах, изучаемые студентами. В ней хранится название дисциплины а так же тип дисциплины, т.е. является ли данная дисциплина обязательной для изучения или нет;

- компетенция. Данная сущность хранит условное обозначение компетенций (например ПК-2) и их описание;

- студент. Сущность студент содержит в себе ФИО студента и его группу, которая в свою очередь содержится в сущности «Группа»;

- пользователь. Данная сущность содержит информацию о пользователях, такую как логин, пароль и роль пользователя.

Рисунок 2 - Диаграмма сущностных классов

Классы управления. Объекты этих классов являются активными, берущими на себя управление и организацию вычислительных процессов; чаще всего это стандартные компоненты операционных систем и систем управления базами данных (СУБД), таймеры, координаторы менеджеры печати и т.п. Диаграмма классов управления представлена на рисунке 3.



Рисунок 3 - Диаграмма классов управления

Граничные классы: объекты этих классов реализуют интерфейсы системы с внешней средой и различными пользователями. Диаграмма граничных классов представлена на рисунке 4. 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;

- формы отчетов обеспечивает работу системы отчетов программного комплекса.

В системе предусмотрено несколько видов отчетов:

- отчет об индивидуальном учебном плане;

- отчет об оценках студентов по дисциплинам.

Вывод справочной информации.



Рисунок 4 - Диаграмма граничных классов

1.6.4 Диаграмма состояний (statechart diagram)

Диаграмма состояний описывает процесс изменения состояний одного или нескольких экземпляров классов, т.е. моделирует все возможные изменения в состоянии конкретного объекта, которые вызваны внешними воздействиями со стороны других объектов или извне [3,4]. Диаграмма состояний представляет динамическое поведение сущностей на основе спецификации их реакции на восприятие некоторых конкретных событий. Главное назначения этой диаграммы - описать возможные последовательности состояний и переходов, которые в совокупности характеризуют поведение элемента модели в течении его жизненного цикла.

Диаграммы состояний чаще всего используются для описания поведения отдельных объектов, но также могут быть применены для спецификации функциональности других компонентов моделей, таких как варианты использования, актеры, подсистемы, операции и методы.

Диаграмма состояний является графом специального вида, который представляет некоторый автомат. Вершинами графа являются возможные состояния автомата, изображаемые соответствующими графическими символами, а дуги обозначают его переходы из состояния в состояние. Диаграммы состояний могут быть вложены друг в друга для более детального представления отдельных элементов модели.

Диаграмма состояний для системы представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Диаграмма состояний. Работа с приложением

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:

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

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

2-й 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.

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 [5].

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 [5].

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 [5].

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.

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) [6]. Она удобна при 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 6 представлена логическая структура БД программного комплекса, которая является реализацией диаграммы сущностных классов, представленных на рисунке 6.

Рисунок 6 - 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.

1.8.1 Расчет необходимого объема внешней памяти

Для расчета внешней памяти воспользуемся формулой 10:

, Мбайт(10)

- 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 Microsoft SQL Server.

= 10000 Мбайт; = 20 Мбайт.

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

Максимальный объем записей в некоторых таблицах достигает десяти тысяч. Это связано с тем что, срок службы программы десять лет и за этот срок количество записей может расти, а также, например, в таблице StudenMark будут хранится записи о каждом студенте и о компетенций, которые он выбрала или нет. Данные расчетов внесены в таблицу 1.

Таблица 1 - Расчет объёма данных

Таблица БД	Размер записи, байт	Max количество записей	Размер индекса, байт	Итого, байт
Competency	3020	1000	4	3024000
Groups	30	100	4	3400
PlanGroup	10	10000	12	220000
PlanStudent	10	10000	12	220000
Semester	20	2	4	48
Student	200	1000	8	208000
StudentMark	2	10000	12	140000
SubComp	2	5000	12	70000
Subject	240	1000	16	248000
Users	50	10	4	540
Итого, байт:	4133988

= 4 Мбайт;

= 40 Мбайт;

Сложив данные, получим:

= 10000+20+4+40= 10064 Мбайт.

Таким образом, для сервера нам потребуется жесткий диск

объемом 40 Гб.

1.8.2 Расчет необходимого объема оперативной памяти

Формула, используемая для расчета требуемой оперативной памяти, аналогична формуле (10). Результаты расчета объема кэша для хранения данных в оперативной памяти приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Расчет объема буферизации

Таблица БД	Размер записи, байт	Max количество записей	Размер индекса, байт	Итого, байт
Competency	3020	1000	4	3024000
Groups	30	100	4	3400
PlanGroup	10	10000	12	220000
PlanStudent	10	10000	12	220000
Semester	20	2	4	48
Student	200	1000	8	208000
StudentMark	2	10000	12	140000
SubComp	2	5000	12	70000
Subject	240	1000	16	248000
Users	50	10	4	540
Итого, байт:	4133988

Расчет характеристик для сервера

= 140 Мбайт;

= 4 Мбайт;

= 1024+50+140+4 =1218 Мбайт;

Поскольку оперативная память комплектуется модулями стандартного размера от 256 Мбайт до 4 Гбайт, мы выбираем один модуль на 1024 Мбайт для сервера.

Расчет характеристики для клиента

= 0 Мбайт;

= 0 Мбайт;

= 4 Мбайт;

= 1024+0+0+4=1028 Мбайт.

Поскольку оперативная память комплектуется модулями стандартного размера от 1024 Мбайт до 4 Гбайт, мы выбираем один модуль на 1024 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 (2):

,(11)

,(12)

,(13)

,(14)

,(15)

.(16)

- 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;

= 2600*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 3.

Таблица 3 - Расчет времени реакции системы

Параметр	Значение
Vтабл=	400000
Nтабл=	1600
tввода= (секунд)	0
tсчитыв= (секунд)	8,9
tвычисл= (секунд)	0,00002954
tреакции=(секунд)	8,9

Таким образом, в худшем случае, для полной подготовки и вывода на экран отчета может потребоваться 8,9 секунды, причем основная часть этого времени будет тратиться на работу с запоминающим устройством (итоговое время реакции)

1.8.4 Скорость передачи данных

Расчет скорости передачи данных выполняется по формуле 17:

Vп= Vд/Vпр, где (17)

Vп - скорость передачи данных

Vд - объем данных

Vпр - пропускная способность

Vпр = 512 Кбит/с (как наихудшее соединение)

Vд = 100 символов*2 бита=200бит = 0,19 Кбит

Vп = 0,19 Кбит / 512 Кбит/с = 0,0004 c.

0,0004 c. - скорость передачи данных при наихудшем соединении.

1.8.5 Требования к комплексу технических средств

Исходя из проделанных расчетов можно предложить необходимую конфигурацию системы для сервера и клиента.

Сервер: процессор класса Intel Core с тактовой частотой 2 ГГц и выше;

рекомендуемый объем оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 2048 Мбайт;

жесткий диск емкостью не менее 150 Гбайт;

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

Клиент: процессор класса Intel Core с тактовой частотой 2 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 разработки информационной системы формирования индивидуальных учебных планов была выбрана архитектура типа веб-приложение [7]. Веб-приложение это клиент-серверное приложение, в котором клиентом выступает браузер, а сервером -- веб-сервер. Логика веб-приложения распределена между сервером и клиентом, хранение данных осуществляется, преимущественно, на сервере, обмен информацией происходит по сети. Этот тип приложения можно отнести к классу клиент-сервер [8]. Клиент-сервер -- архитектура или организация построения сети, в которой производится разделение вычислительной нагрузки между включенными в ее состав компьютера, выполняющими функции клиентов, и одной мощной центральной ЭВМ -- сервером. Процесс наблюдения за данными отделен от программ, использующих эти данные. Сервер может поддерживать центральную базу данных, расположенную на мощном компьютере, зарезервированном для этой цели. Клиентом в разрабатываемой информационной системе будет являться интерактивные страницы сайта, доступ к которому можно получить с любого ЭВМ у которого есть возможность выхода в Интернет. Производительность при использовании клиент-серверной архитектуры выше обычной, поскольку как клиент, так и сервер делят между собой нагрузку по обработке данных. Достоинствами клиент-серверной архитектуры являются большой объем памяти и ее пригодность для решения разнородных задач, возможность подключения большого количества рабочих станций, включая ПЭВМ и пассивные терминалы, а также установки средств защиты от несанкционированного доступа. Основные понятия клиент-серверной архитектуры:

Клиент (client) -- сторона (ЭВМ, программа или пользователь), запрашивающая и использующая информацию и/или ресурсы у сервера в среде клиент-сервер.

Сервер баз данных (сервер СУБД, database server) -- сервер, состоящий из ЭВМ, операционной системы и СУБД. В зависимости от архитектуры построения сети сервер баз данных может являться основным ее сервером или сервером, поддерживающим промежуточное программное обеспечение.

Принцип работы клиент-серверного приложения представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 - Принцип работы клиент-серверного приложения

2.2 Выбор и обоснование средств комплекса программно-технических средств

2.2.1 Выбор операционной системы

Для нормального функционирования системы рекомендована операционная система Windows [9]. Операционная система Windows самая популярная ОС по всему миру. Windows позволяет разрабатывать приложения любой сложности, практически на любой существующей технологии, опираясь на понятный и интуитивный интерфейс.

2.2.2 Выбор языка программирования и среды разработки

В качестве интегрированной среды разработки была выбрана среда Microsoft Visual Studio 2012 [10]. Язык разработки - C# [11], технология ASP.Net MVC Framework [12]. Выбор технологии ASP.Net MVC Framework для данной задачи был обусловлен необходимостью обеспечения доступа к комплексу через интернет.

Visual Studio 2012 хорошо адаптирован для разработки веб-приложений и при этом обладает упрощенным интерфейсом. Для повышения удобства и эффективности веб-разработки в Visual Studio 2012 имеется набор шаблонов веб-сайтов, базовая поддержка локализации сайтов и контроль учетных записей, разграниченный на различные права.

Язык программирования, использовавшийся для реализации программы - C# 2.0. C# представляет новый язык программирования, предназначенный для разработки разнообразных корпоративных приложений, выполняемых в среде .NET Framework.

Microsoft SQL Server являются наиболее мощным СУБД, поддерживающим распределенную работу, возможность более гибкого манипулирования данными за счет использования встроенных DML. Так же MS SQL Server интегрирован в среду MS Visual Studio 2012, что позволяет получать наиболее стабильную работу приложения.

2.2.3 Выбор СУБД

В качестве системы управления базами данных (СУБД) была выбрана Microsoft SQL Server [13].

Microsoft SQL Server представляет собой платформу для работы с базами данных, обеспечивающую возможность крупномасштабной оперативной обработки транзакций, хранения данных и работы с приложениями для электронной торговли; а также является платформой бизнес-аналитики для создания решений по интеграции данных, анализу и составлению отчетов.

Эта версия СУБД является решением для малых и средних приложений. Обычно Microsoft SQL Server используется в качестве сервера, к которому обращаются локальные или удалённые клиенты.

Гибкость СУБД Microsoft SQL Server обеспечивается поддержкой большого количества типов таблиц: пользователи могут выбрать как таблицы обычного типа, или индексные таблицы. Использовать можно также временные или кластерные таблицы. Благодаря тому, что Microsoft SQL Server часто используется при проектировании и реализации ИС, в СУБД постоянно появляются новые типы таблиц.

2.3 Описание программной реализации системы

2.3.1 Описание используемых классов и методов

В таблице 4 приведены основные классы и методы информационной системы.

Таблица 4 - Основные классы и методы информационной системы

Модуль	Класс	Описание	Методы класса
Model	AccountModels.cs	Класс с информацией о пользователях	#ChangePasswordModel() #UserModel() #LogOnModel() #RegisterModel()
Модуль	Класс	Описание
View	Account	Страница авторизации
	Competency	Страница редактирования справочника компетенций
	Group	Страница редактирования справочника групп
	Home	Стартовая страница
	Journal	Страница редактирования справочника оценок студента по пройденным предметам
	Reference	Страница со списком всех справочников системы
	Report	Страница cо списком всех отчетов системы
	Semester	Страница редактирования справочника семестра
	Settings	Страница для изменения количества часов на семестр
	Student	Страница редактирования справочника информации о студенте
	Subject	Страница редактирования справочника предметов
	Login.aspx.cs	Контроллер страницы авторизации
	TestStud	Страница для выбора студентом интересующих его компетенций
	User	Страница редактирования справочника пользователей
Модуль	Класс	Описание	Методы класса
Controller	AccountController.cs	Контроллер страницы авторизации	#Page_Load()
	CompetencyController.cs	Контроллер страницы справочника компетенций	#Page_Load()
	GroupController.cs	Контроллер страницы редактирования справочника групп	#Page_Load()
	HomeController.cs	Контроллер стартовой страницы	#Page_Load()
	ReferenceController.cs	Контроллер страницы со списком всех справочников системы	#Page_Load()
	ReportController.cs	Контроллер страницы cо списком всех отчетов системы	#Page_Load()
	SemesterController.cs	Контроллер страницы редактирования справочника семестра	#Page_Load()
	SettingsController.cs	Контроллер страницы для изменения количества часов на семестр	#Page_Load()
	StudentController.cs	Контроллер редактирования справочника информации о студенте	#Page_Load()
	SubjectController.cs	Контроллер страницы редактирования справочника предметов	#Page_Load()
	TestStudController.cs	Контроллер страницы для выбора студентом интересующих его компетенций	#Page_Load()
	UserController.cs	Контроллер страницы редактирования справочника пользователей	#Page_Load()

2.3.2 Физическая схема базы данных

Физическая схема базы данных - это таблицы базы данных с атрибутами, ключевыми полями, связями между таблицами.

Физическая схема базы данных представлена на рисунке 8.



Рисунок 8 - Физическая схема 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.

Соответствие названий таблиц базы данных названиям отношений приведено в таблице 5.

Таблица 5 - Соответствие между отношениями и таблицами базы данных

Название отношения (логический уровень)	Название таблицы (физический уровень)
Компетенции	Competency
Группы	Groups
План_студента	PlanStudent
Предположительные_дисциплины	PrefPlanStudent
Семестры	Semester
Студенты	Student
Оценка_студента	StudentMark
Дисцилнина_компетенция	SubComp
Дисциплина	Subject
Дисциплины_подгруппы	SubjectSubGroup
Дисциплины_студенты	SubStud
Пользователи	Aspnet_Users

2.4 Разработка интерфейсов программы

2.4.1 Главная страница приложения

Главная страница приложения это первая страница, которую пользователь видит после открытия приложения. Главная страница приложения представлена на рисунке 9.



Рисунок 9 - Главная страница приложения

2.4.2 Страница авторизации

Для того чтобы войти в информационную систему, нужно пройти авторизацию. Чтобы начать авторизацию, нужно нажать на ссылку «Вход». В системе существуют три типа пользователей: администратор, преподаватель и студент. Страница авторизации представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Страница авторизации

2.4.3 Страница работы со справочниками

Страница со списком справочниками раз...