Методи та програмні засоби сервісів мережних навчальних комплексів

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

АВТОРЕФЕРАТ

МЕТОДИ ТА ПРОГРАМНІ ЗАСОБИ СЕРВІСІВ МЕРЕЖНИХ НАВЧАЛЬНИХ КОМПЛЕКСІВ

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі інформаційних систем Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент Бублик Володимир Васильович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, доцент кафедри інформаційних систем

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Цейтлін Георгій Овсійович, завідувач кафедри програмного забезпечення автоматизованих систем Міжнародного Соломонового університету, м. Київ;

кандидат технічних наук, доцент Олецький Олексій Віталійович, доцент кафедри інформатики Національного університету "Києво-Могилянська академія", м. Київ

Провідна установа: Інститут кібернетики НАН України імені В.М. Глушкова, відділ рекурсивних обчислювальних машин, м. Київ

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка (01033, м. Київ, вул. Володимирська, 58).

Автореферат розісланий "_23_" _травня__2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.П. Шевченко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток програмних та апаратних засобів сучасних інформаційних систем приводить до значного їх поширення в усі сфери суспільного життя: виробництво, бізнес, освіту, науку, культуру.

Проблеми автоматизації навчання досліджувалися ще в 1950-60-х рр. Це було відображено в працях В.М. Глушкова, К.Л. Ющенко, В.Н. Редька, Б.Ф. Скіннера, Н.А. Краудера, ін. Так, В.М. Глушков запропонував чотири рівня автоматизації управління навчального процесу: на рівні окремого учня, групи учнів, навчального закладу, групи навчальних закладів. За досить короткий час 1960-90-х рр. еволюція ідей та програмних розробок в галузі створення систем підтримки навчання пройшла значний шлях від т.з. контролюючих машин та програмованого навчання через персональні навчальні програми до експертних, або експертно-навчаючих (В.А. Петрушин) та розподілених інтелектуальних комплексів.

Ефективність використання довільної програмної системи, особливо навчальної, значною мірою залежить від рівня її взаємодії з користувачем, що нерозривно пов'язано з якістю наявного інформаційного та лінгвістичного забезпечення. Ряд дослідників, таких як О.М. Довгялло, О.Л. Перевозчикова, значно просунулись у напрямку узагальнення апарату формалізованого проектування та інтелектуалізації режимів взаємодії ЕОМ і людини. Важливі результати в галузі розробки інструментальних засобів інформаційної та лінгвістичної підтримки відображені в працях А.В. Анісімова, О.А. Летичевського, В.С. Михалевича, Г.О. Цейтліна та ін.

Зі створенням на початку 1990-х рр. World Wide Web сфера функціонування навчальних систем почала інтенсивно поширюватись i на всесвітню мережу. Деякі дослідники, такі як В.Л. Усков, виділяють чотири покоління мережних т.з. віртуальних освітніх середовищ: від простих html-курсів, які з'явилися ще на початку 1990-х рр., до базованих на конвергенції різних програмних технологій (традиційних, Web-lecturing, порталів, агентів тощо) розподілених інтелектуальних середовищ, які поки що знаходяться на етапі розробки та випробувань. Проблемі інтелектуалізації освітніх інформаційних технологій, розробці та використанню засобів створення електронного вмісту значну увагу приділено в працях П.Л. Брусиловського, В.В. Бублика, М.М. Глибовця, В.Л. Ускова та ін.

Сучасні спеціалізовані мережні програмні системи підтримки навчального процесу (СПНП) передбачають різне співвідношення між інформативною, організаційною, навчальною складовими, а також навчанням в аудиторії, роботі в мережі та самостійною роботою. Серед відомих на окрему увагу заслуговують такі системи, як BlackBoard, WebCT, LearningSpace, ILIAS, OpenUSS, MOODLE тощо.

Традиційно розроблені СПНП базуються на заздалегідь ретельно спроектованій статичній ієрархії структур даних та інформаційних зв'язків, тому повнофункціональні системи є досить складними, прив'язаними до конкретної моделі навчального процесу, і при модернізації потребують значних додаткових зусиль. Водночас більшість з існуючих розробок зорієнтовані насамперед на створення та використання автоматизованих курсів, питанню адекватності організації процесу навчання при цьому надається досить мало значення. Тому ці СПНП не вирішують проблеми мобільності і стиковки, як вертикальної, так і горизонтальної, різних підсистем, наприклад, філії і базового закладу, кафедр різних факультетів і деканатів тощо. Нарешті, відкритим залишається питання взаємодії кількох віддалених СПНП.

З огляду на прикладну спрямованість розробок у даному напрямку, залишається потреба в створенні формалізованого апарату функціонування СПНП. Сучасний рівень розвитку систем управління базами даних, інструментальних засобів програмування, мережних інтерфейсів дозволяє реалізувати ці теоретичні розробки на програмному рівні.

В провідних українських вищих навчальних закладах, зокрема, в Київському національному університеті, накопичено чималий методичний та організаційний досвід створення автоматизованих систем навчання. Поєднання цього досвіду з використанням сучасних інформаційних технологій стало передумовою появи СПНП нового типу.

Зважаючи на зростаючий попит на СПНП, їх наростаючу складність, необхідність у новітніх розробках, які б відображали існуючі потреби та перспективи у сфері освітніх інформаційних технологій, залишатиметься ще багато років, цим і обумовлюється актуальність даного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі інформаційних систем факультету кібернетики Київського національного університету імені Тараса Шевченка і є частиною досліджень в рамках держбюджетної теми №01БФ015-02 "Розробка систем інтелектуалізації інформаційних технологій та дистанційної освіти".

Мета та задачі дослідження. Мета дослідження полягає у вивченні й аналізі теоретичних, методологічних та програмних засад створення Web-систем підтримки навчальної діяльності у закладах освіти, розробці механізму динамічної модифікації вмісту і структури таких систем, забезпеченні їх персоналізації, адаптації, безпеки та взаємодії.

Досягнення мети пов'язане з вирішенням таких задач дослідження:

- вивчення стану сучасних теоретичних і програмних розробок Інтернет-систем підтримки навчання, виявлення їх переваг, недоліків, рівня гнучкості та універсальності; вивчення існуючого інструментарію та його можливостей;

- формулювання функціональних вимог та специфікацій СПНП;

- розробка гнучкого підходу до створення СПНП, який передбачає можливість її динамічної контентної та структурної модифікації, а також засоби реалізації вертикальної та горизонтальної взаємодії її підсистем;

- розробка алгоритмів створення, функціонування та модифікації СПНП;

- програмна реалізація розробленого підходу.

Об'єктом дослідження є Інтернет-орієнтовані програмні середовища підтримки навчального процесу, їх архітектура, функціональність, управління контентом, взаємодія з користувачем. Предмет дослідження - теоретичні основи, методологічні та програмні особливості розробки і функціонування мережних середовищ підтримки навчання, в яких реалізується динамічна модифікацію вмісту і структури.

Методи дослідження. Методологічною основою дисертаційного дослідження є праці провідних вітчизняних і зарубіжних фахівців у галузі математичного і програмного забезпечення обчислювальних систем, мереж, інтелектуальних навчальних середовищ: В.М. Глушкова, А.М. Довгялло, О.А. Летичевського, Г.О. Цейтліна, В.Л. Ускова, Г. Буча та ін. В рамках дослідження використовувалися методи проектування алгоритмів та об'єктно-орієнтованого проектування і програмування. При обґрунтуванні теоретичних тверджень дисертації використовувалися методи дискретної математики, зокрема, комбінаторики та теорії графів.

Наукова новизна одержаних результатів. Запропоновано новий шаблонно-просторовий підхід (ШПП) до створення мережної системи підтримки навчального процесу, який передбачає можливість проектування, динамічного створення i модифікації ієрархії власних сутностей (що моделюються шаблонами) та на основі цього підходу розбудови i наповнення системи. В рамках ШПП розроблено механізм залучення - новий спосіб надання диференційованого доступу, який дозволяє реалізувати вертикальні та горизонтальні зв'язки між сутностями; на основі залучення сформульовано принципи взаємодії різних СПНП.

Розроблено теоретичні основи ШПП, зокрема, запропоновано термінологічну базу, обґрунтовано умови скінченності та способи коректної модифікації ієрархії шаблонів. Введено поняття алгебри шаблонних ієрархій, досліджено її властивості.

На основі запропонованих положень теоретичних результатів дисертації розроблено алгоритми генерації множини допустимих суміжних шаблонів, алгоритми модифікації ієрархії шаблонів та просторів, запропоновано різні способи додавання нових сутностей, встановлено їх переваги, недоліки та доцільність застосування для різних СПНП і при модифікації дерева просторів.

Практичне значення одержаних результатів. Сконфігурована сутнісно і наповнена вмістом система придатна до безпосереднього використання - як мережна система підтримки навчальної та наукової діяльності академічного закладу. Способи додавання нових шаблонів забезпечують високий рівень універсальності системи, що дає змогу розробляти унікальні ієрархії сутностей, отже, встановлювати, з одного боку, у навчальних закладах з різною організаційною структурою і формами здійснення навчально-наукової діяльності, з іншого - застосовувати для установ та організацій не лише академічної сфери, таких як бібліотеки, органи державного управління тощо.

Результати дисертаційної роботи були впроваджені у навчальному процесі на фізико-математичному факультеті Кіровоградського державного педагогічного університету імені Володимира Винниченка в рамках вивчення курсів "Мережі ЕОМ", "Технології програмування для Інтернет", "Інтелектуальні системи".

Особистий внесок здобувача. Результати дисертаційного дослідження одержані особисто або за особистою участю автора. Формування напрямку досліджень, постановка завдання та обговорення одержаних результатів проводились спільно з науковим керівником, кандидатом фізико-математичних наук, доцентом Бубликом В.В. Стаття [2] написана у співавторстві з канд. фіз.-мат. наук Завадським І.О. В даній роботі Завадському І.О. належить ідея реалізації шаблону в межах простору, використання шлюзу як каналу для залучення, опис структурних особливостей віртуального освітнього середовища та ряд пропозицій щодо термінології, дисертанту - постановка задачі, характеристика типів залучення, розробка і пояснення прикладів.

Апробація результатів дисертації. Окремі результати дослідження були представлені у доповідях на конференціях та семінарах, зокрема: Міжнародній конференції "Теоретичні та прикладні аспекти побудови програмних систем" (TAAPSD'2004) 5-8 жовтня 2004 р., м. Київ; Міжнародній науково-практичній конференції "Единое информационное пространство" 3-4 грудня 2003 р., м. Дніпропетровськ; ІІ Міжнародному молодіжному форумі "Информационные технологии в ХХІ веке" 27-28 квітня 2004 р., м. Дніпропетровськ; IV Всеукраїнській конференції молодих науковців "Інформаційні технології в освіті, науці і техніці" (ІТОНТ-2004) 28-30 квітня 2004 р., м. Черкаси; науково-практичній конференції "Європейські орієнтири освіти України в умовах глобалізації" 4-6 червня 2004 р., м. Біла Церква; наукових семінарах факультету кібернетики Київського національного університету імені Тараса Шевченка та Національного університету "Києво-Могилянська академія".

Публікації. За результатами дисертаційного дослідження опубліковано 4 статті у фахових виданнях, доповіді та тези доповідей на 3-х міжнародних конференціях і форумах.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел, що містить 115 найменувань, 5 додатків. Загальний обсяг роботи - 125 сторінок друкованого тексту, обсяг основного тексту - 117 сторінок. Робота включає 5 таблиць та 27 рисунків.

Основний зміст роботи

У вступі дисертації обґрунтовано актуальність теми. Дисертаційна робота присвячена дослідженням у перспективному і динамічному напрямку розробки систем підтримки навчальної діяльності університету, зокрема, пошуку шляхів вирішення важливої задачі забезпечення гнучкості й мобільності СПНП, динамічної взаємодії її підсистем. Розробка нового підходу, який дозволяє оперативно змінювати структуру та вміст СПНП, дослідження властивостей такого підходу та мережної системи, створеної на його основі, і лягло в основу дисертаційного дослідження. У вступі також подано зв'язок роботи з науковими програмами, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну результатів. Наведено відомості про апробацію роботи і публікації, відзначено особистий внесок здобувача в опублікованих працях, практичне значення та впровадження результатів.

У першому розділі зроблено огляд літератури, досліджено проблематику побудови СПНП, розглянуто типові підходи до створення СПНП на прикладі конкретних систем, сформульовано постановку задачі. У цьому ж розділі викладено концептуальні положення шаблонно-просторового підходу (ШПП) до розробки СПНП.

При побудові мережних СПНП одним з найпоширеніших на сьогодні є підхід, що базується на технології порталів, визначальними ознаками якого є єдина для всіх учасників точка входу та персоналізація роботи, що передбачає диференціацію прав доступу до даних, персоналізацію інтерфейсу та відображення інформації. В контексті забезпечення максимальної гнучкості та універсальності традиційні СПНП мають ряд обмежень, зумовлених тісною прив'язкою функціональності до програмного коду. Так, необхідність втручання в код виникає при структурній модифікації учасників СПНП, зміні апріорних правил їх поведінки. Аналогічна проблема постає і при додаванні інших типів компонент, які відповідають новим сутностям науково-освітнього процесу чи самої СПНП. У цьому сенсі актуальною залишається проблема відповідності сторонніх розробок організаційним та освітнім стандартам конкретного закладу чи окремої національної (регіональної) системи освіти.

Під мережною системою підтримки навчального процесу будемо розуміти інформаційну систему, встановлену у вищому навчальному закладі (ВНЗ), яка орієнтована на обслуговування запитів користувачів зі стандартними технічними (персональний комп'ютер, під'єднаний до Мережі) та програмними (стандартне клієнтське ПЗ) засобами роботи в мережі Інтернет і основним призначенням якої є підтримка процесу навчання у ВНЗ, зокрема:

надання засобів створення, акумуляції та надання доступу до наукових, навчальних та методичних матеріалів;

надання засобів позааудиторного спілкування викладачів і студентів;

надання додаткових комунікативних можливостей користувачам;

доступ до загальної, у т.ч. нормативної, інформації;

диференційований доступ до персональної інформації та ін.

Користувачі можуть бути авторами власних матеріалів та ініціаторами створення проблемних груп та комунікацій. При створенні власного вмісту автор може звузити або розширити доступ до нього іншим користувачам.

Розглянемо навчальне віртуальне середовище, яке моделює роботу користувачів та заходів навчального процесу. Учасниками називатимемо студентів, викладачів, кафедри, факультети та ін. Не зареєстровані учасники мають спеціальний статус гостя з обмеженими можливостями. Під поняттям захід розумітимемо визначену в часі подію навчального процесу: лекцію, семінар, іспит, семестр тощо. web освіта інструментарій

Простором називатимемо абстракцію, що моделює екземпляри сутностей. Наприклад, простір професора Іванова, простір кафедри інформаційних систем. Множини однотипних сутностей моделюються шаблонами. Прикладами шаблонів є шаблон викладача, шаблон кафедри. Таким чином, кожен простір є реалізацію деякого шаблону, що задає структуру та властивості цього простору. Так, "Простір А" є реалізацією "шаблону 1". Водночас вважатимемо, що кожен шаблон є елементом деякого простору, тобто доступним з цього простору для реалізації. Виняток становить головний простір, який існує незалежно від наявності інших просторів і не є реалізацією жодного шаблону. Позначимо його "Main".

Власником простору називатимемо особу, яка має повний доступ до цього простору, створює в ньому нові простори з доступних шаблонів та надає до них доступ іншим користувачам. Власником простору "Main" є адміністратор.

Під залученням будемо розуміти надання доступу певного рівня до простору іншим просторам. Шлюзом називатимемо канал для залучення. Залучення будемо зображати штриховими стрілками.

Можливі типи доступу при залученні: доступ читання, редагування (без права видалення), власника (редагування та видалення), належності (наприклад, студента академічній групі, викладача кафедрі), приєднання (до проблемної групи, форуму, чату, ін).

Виділимо такі повноваження учасників:

апріорні - випливають із структури відповідного шаблону учасника;

динамічні - визначаються в процесі створення просторів та залучення.

В кожен момент роботи у користувача є можливість виконати дії: створити власний простір з доступних шаблонів; перейти до створених ним просторів; перейти до просторів, до яких він залучений; отримати оперативну інформацію про біжучий простір, а також про свої права в ньому тощо.

Приклад 1. Мережна підтримка роботи наукового семінару. Рис. 3 демонструє один з можливих випадків такої підтримки. Алгоритм його реалізації може бути наступним.

1. Викладач (проф. Бондаренко) реалізує доступний йому шаблон "семінар", тобто створює простір конкретного семінару ("ІТ в освіті"), залучає до нього потрібних учасників з відповідним рівнем доступу і створює простір "список доповідей".

2. Доповідачі в процесі роботи семінару розміщують на сервері тексти доповідей (наприклад, "Освітні портали", "Мультимедіа в дистанційній освіті"), які автоматично стають доступними власнику простору "ІТ в освіті" та залученим.

3. Бажаючі можуть реалізувати шаблони "дискусії" (створити простори обговорення роботи самого семінару) та "обговорення" (з приводу окремих доповідей).

Приклад 2. Розглянемо способи моделювання підсистеми "факультет-кафедра-викладач", а саме: за допомогою активного використання залучення та встановлення ієрархічних зв'язків. Сутність "викладач" є універсальною для всіх факультетів, тому її шаблон можна розмістити безпосередньо в "Main" і простори викладачів залучати (за типом "належність") до просторів кафедр. Простори кафедр також залучаються - до просторів факультетів. Такий спосіб залишає можливість оперативної зміни відношень між сутностями через модифікацію залучення, а також враховує особливий статус загальноуніверситетських кафедр і викладачів, які ведуть заняття на різних факультетах, тощо. Відповідно до другого способу, шаблон викладача розміщують в просторі кафедри, шаблон кафедри - в просторі факультету, тим самим встановлюючи в ієрархічний зв'язок між цими сутностями та уникаючи додаткових операцій залучення. Вибір способу залежить від специфіки конкретного закладу та усталеності його організаційної структури.

Описаний підхід на основі шаблонів та просторів називатимемо шаблонно-просторовим (ШПП). СПНП, побудовану на його основі, називатимемо шаблонно-просторовою системою (ШПС).

У другому розділі викладено математичні основи шаблонно-просторового підходу. Обґрунтовано умови коректності додавання нових шаблонів, досліджено властивості шаблонної та просторової ієрархії, охарактеризовано алгебри шаблонних та просторових ієрархій.

Терміни "шаблон", "простір", "залучення" будемо розуміти так, як це описано в першому розділі. Простори позначатимемо літерами S, шаблони - t.

Нехай простір S₂ реалізований з шаблону t₂, який доступний з простору S₁ і при цьому в просторі S₂ доступний шаблон t₃..

Означення 1. Простір S₂ називатимемо нащадком простору S₁, а S₁ - батьківським (або просто батьком) для S₂. t₃ називатимемо нащадком шаблону t₂, а t₂ - батьківським (батьком) відносно t₃. Суміжними будемо називати шаблони, які виступають один відносно одного відповідно батьком та нащадком.

Означення 2. Шаблон t₂ називатимемо породжуючим для простору S₂, а простір S₂ - породженим (реалізованим) з шаблону t₂.

В структурі шаблону можна виділити такі частини: описову (назва, права/статус власників, ін.), контентну (опис основного вмісту) і зв'язну. Залежно від способу зв'язування в ШПС, зв'язні частини шаблонів можуть містити перелік безпосередніх нащадків (рис. 5 а) або батьків (рис. 5 б). Перший спосіб називатимемо зв'язуванням вниз, другий -зв'язуванням вгору. Обидва способи визначають ієрархію (дерево) шаблонів, позначимо її через ТТ. Ієрархію просторів позначимо через ST.

Взагалі в різних місцях ТТ може міститися кілька однакових шаблонів.

Означення 3. Шаблон, який зустрічається в ТТ більше одного разу, будемо називати кратним, інші - некратними. Нехай m_i - кількість кратних шаблонів t_i в ТТ. Позначатимемо k-й шаблон t_i в ТТ через t. Усі t, k = 1, 2,…, m_i, називатимемо m_i-кратними t_i-шаблонами, або просто шаблонами t_i-сімейства.

Будемо вважати, що t_i TT: t= t= t_i, k = 1, 2,…, m_i, j = 1, 2,…, m_i. Вважатимемо також, що зв'язна частина будь-якого шаблону не містить однакових елементів.

Нехай функція anch (t_i) визначає множину суміжних для t_i шаблонів, тобто тих, які містяться в його зв'язній частині, функція fath (t_i) - множину батьків t_i в усіх поколіннях, функція leg (t_i) - множину нащадків t_i усіх поколінь.

Твердження 1.

1. При зв'язуванні вгору ТТ містить кратний шаблон тоді і тільки тоді, коли t_i TT: | anch (t_i) | 2.

2. Для того, щоб при зв'язуванні вгору шаблон t_k був кратним, необхідно і досить, щоб t_i {t_k}fath (t_k): | anch ( t_i ) | 2.

Твердження 2.

1. При зв'язуванні вниз ТТ містить кратний шаблон тоді і тільки тоді, коли t_i TT, t_j TT , t_i t_j: anch (t_i) anch (t_j) .

2. Для того, щоб при зв'язуванні вниз шаблон t_k був кратним, необхідно і досить, щоб t_i TT, t_j TT , t_i t_j: t_k leg (t_i) leg (t_j).

Нехай Т = {t₁, t₂,… , t_n} - множина шаблонів деякої ШПС, простір S - k-й екземпляр (k-та реалізація) відповідного шаблону t_i. Операцію створення S за шаблоном t_i позначимо через f : f(t_i) = S. Очевидно, що відображення f, що переводить множину Т шаблонів в множину S просторів, не є функціональним, оскільки воно не однозначне. Водночас кожному простору S (k = 1,… m_i) можна поставити у відповідність єдиний породжуючий шаблон t_i. Тому відображення f ^_1: S Т є функціональним.

Головний простір "Main" позначимо як S₀. Через t₀ позначимо шаблон, що є верхнім в ієрархії, вважатимемо його породжуючим для S₀, він необхідний для роботи з деревом.

Зв'язування шаблонів відношенням "батьконащадок" встановлює на множині Т деяку ієрархію. Одному і тому ж ТТ (рис. 6) можуть відповідати різні ST. Кожне ST однієї ШПС - це конкретна реалізація одного і того ж ТТ, вона здійснюється динамічно і може бути одним і тим же ST в різні моменти часу.

Дослідимо властивості ШПС на предмет скінченності. Необхідність встановлення обмежень на розміри ТТ випливає з об'єктивної обмеженості обчислювальних можливостей серверної частини та потреби в коректності модифікації ШПС. З огляду на це, виникає потреба у формулюванні основних вимог стосовно унеможливлення неконтрольованого росту системи.

Твердження 3. ST буде скінченним, коли скінченним є ТТ і K = max m_i, i=1, 2, …, n, K<, де m_i - кількість реалізацій шаблону t_i.

Рівність шаблонів означає рівність їх опису. Отже, опис шаблонів, які належать до одного сімейства, єдиний. Звідси випливає правило перезв'язування шаблонів: зміна зв'язної частини одного з кратних шаблонів автоматично призводить до таких же змін в описі інших шаблонів його сімейства.

Зауважимо, що приєднання нового шаблону в дерево ТТ відбувається разом з його піддеревом. Тому, якщо шаблон m_i-кратний, в ТТ додається m_i однакових піддерев. Підвішування кратних висячих вершин на скінченність дерева не впливають, але у випадку кратних піддерев може виникнути ситуація рекурсивного розростання ТТ.

Приклад 3. Нехай t_ileg(t_n), t_ifath(t_p). Якщо t_n стає нащадком для t_p, то, в результаті застосування правила перезв'язування, отримуємо нескінченне повторення фрагмента.

Твердження 4. Нехай на скінченній множині шаблонів Т = {t₁, t₂,… , t_n} визначено деяке дерево ТТ. ТТ буде скінченним тоді і лише тоді, коли в жодному його маршруті немає кратних шаблонів одного сімейства.

Конфігурацію шаблонів можна проводити перед розгортанням ШПС. Однак з часом може виникнути необхідність у нових сутностях (отже, і у нових шаблонах), наприклад: "відділ аспірантури" в просторі "факультет", "профспілковий комітет" там само, "відеозапис" у просторі "бібліотека" тощо. Постає проблема якісного розширення уже функціонуючої системи. Цю проблему вирішує механізм динамічного створення шаблонів.

У той час як ієрархія просторів, що реалізує ТТ, є динамічною, ієрархія шаблонів може залишатися статичною. Зрозуміло, поява нового шаблону зумовлює зміну ТТ. При додаванні в ТТ нового шаблону t_new необхідно внести зміни до зв'язної частини відповідних шаблонів, в залежності від способу зв'язування та наявності нащадків t_new.

Означення 4. Допустимими суміжними шаблонами (відповідно допустимими батьками або нащадками) для t_new називатимемо всі шаблони, після зв'язування яких з t_new дерево ТТ залишається скінченним.

Твердження 5. Нехай t_new має нащадків і t_newt_p. Шаблон t_p скінченого ТТ буде допустимим батьківським шаблоном для t_new, а, відповідно, t_new - допустимим нащадком для t_p, якщо ({t_p}fath(t_p))leg(t_new)=.

Аналогічний висновок можна зробити і у випадку, коли замість t_new розглядати вже існуючий в ТТ шаблон.

Твердження 6. Нехай anch(t_new)=. Тоді t_new може бути допустимим нащадком для всіх шаблонів з ТТ, і навпаки, всі шаблони ТТ є допустимими батьками для t_new.

Розглянемо спосіб надання доступу до нового шаблону з використанням залучення. Нехай маємо зв'язування вниз. Із спеціально призначеного шаблону t простору S₀ створюються простори з новими шаблонами. Це означає, що нові шаблони є нащадками t. Після цього до таких просторів залучаються інші простори чи їх групи. При наданні доступу до t_new конкретним, уже створеним просторам проблеми нескінченності дерева не виникає, оскільки t_new є нащадком лише t, а t - нащадком лише t_0.

Твердження 7. Використання скінченої кількості залучень до простору з новим шаблоном не призводить до неконтрольованого росту ТТ.

Ієрархію шаблонів достатньо просто подавати у вигляді орієнтованого дерева ТТ. Очевидно, таке дерево можна подати у вигляді орграфа з незваженими дугами. Так, дереву на рис. 6 відповідає граф, зображений на рис. 10. Вершинами графа є шаблони, дугами - відношення "батьконащадок". Відповідно до цього, можна говорити про коректність зміни ієрархії шаблонів.

Твердження 8. Допустимим суміжним для t_p є довільний шаблон, після зв'язування якого з t_p у відповідному орграфі шаблонів не буде простих циклів.

Розглянемо множину Н всіх скінченних шаблонних ієрархій h_i, визначених на множині Т={t₀, t₁,…, t_n} шаблонів.

Введемо множину операцій _i додавання таких ієрархій. Нехай h_{1 i} h₂ = h₃. Спосіб утворення h₃: корінь дерева h₂ зв'язується як нащадок вершиною t_i ієрархії h₁. Під h₀ будемо розуміти порожню ієрархію, тобто таку, яка не містить жодного шаблону.

h_{1 i} h₂ =

У цьому сенсі можна розглядати множину алгебр типу А_і=(Н, _i).

Твердження 9. Множина Н має такі властивості:

1. Н є скінченною.

2. Шаблони кожного h_iH можна перенумерувати так, що послідовності номерів вершин кожного маршруту h_i будуть лінійно впорядкованими.

3. Результатом нескінченного додавання елементів h_iH є скінченна ієрархія.

У третьому розділі викладено основні алгоритми роботи ШПП-системи та засади програмної реалізації. Алгоритми базуються на теоретичних положеннях попереднього розділу. Вони присвячені питанням модифікації дерева шаблонів та просторів.

Алгоритм 1. Визначення множини допустимих нащадків для t_p.

Даний алгоритм використовується при модифікації ТТ за рахунок існуючих шаблонів при зв'язуванні вниз.

Крок 1. Покласти L:=.

Крок 2. Визначити множину F_p:= fath(t_p).

Крок 3. Поки не перевірили всі вершини, перевірити вершину t_iТ. Якщо t_i=t₀ або t_i=t_p, перейти до кроку 5.

Крок 4. Якщо t_iF_p (leg(t_i)F_p=), то L:=L{t_i}.

Крок 5. Перейти до наступної вершини t_i. Перехід до кроку 3.

Крок 6. L - шукана множина.

Алгоритм 2. Визначення множини допустимих батьків для t_p.

Даний алгоритм використовується при модифікації ТТ за рахунок існуючих шаблонів при зв'язуванні вгору.

Крок 1. Покласти F:=.

Крок 2. Визначити множину L_p:= leg(t_p).

Крок 3. Поки не перевірили всі вершини, перевірити вершину t_iТ. Якщо t_i=t₀ або t_i=t_p, перейти до кроку 5.

Крок 4. Якщо t_iL_p (fath(t_i)L_p=), то F:=F{t_i}.

Крок 5. Перейти до наступної вершини t_i. Перехід до кроку 3.

Крок 6. F - шукана множина.

Алгоритм 3. Визначення множини допустимих нащадків для нового шаблону t_new, який приєднують до t_p зв'язуванням вниз. Зауважимо, t₀ не може бути нащадком жодного шаблону.

Крок 1. Покласти L:=.

Крок 2. Визначити множину F_new:= fath(t_p){t_p}.

Крок 3. Поки не перевірили всі вершини з leg(t_new), перевірити вершину t_i leg(t_new). Якщо t_i=t_p, перейти до кроку 5.

Крок 4. Якщо t_iF_new, то L:=L{t_i}.

Крок 5. Перейтио до наступної вершини t_i leg(t_new). Перехід до кроку 3.

Крок 6. L - шукана множина.

Алгоритм 4. Визначення множини допустимих батьків для нового шаблону t_new з нащадками при зв'язуванні зверху.

Крок 1. Покласти F:=.

Крок 2. Визначити множину L_new:= t_newleg(t_new).

Крок 3. Поки не перевірили всі вершини з Т, перевіряємо вершину t_iТ. Якщо t_i=t₀, перейти до кроку 5.

Крок 4. Якщо ({t_i}fath(t_i))L_new=, то F:=F{t_i}.

Крок 5. Переходимо до наступної вершини t_iТ. Перехід до кроку 3.

Крок 6. F - шукана множина.

Алгоритми 1-4 базуються на твердженнях 4, 5 і 6.

Додавання нового шаблону (НШ).

Додавання нового шаблону без нащадків є тривіальним, відповідно до твердження 6. Тому розглянемо інші випадки.

Алгоритм 5. Додавання нащадків до шаблону t_p (зв'язування вниз).

Крок 1. Визначення множини L допустимих нащадків для t_p (Алгоритм 1).

Крок 2. Вибір шаблону із визначеної множини L.

Крок 3. Зв'язування вибраного елемента з t_p.

Алгоритм 6. Додавання батьків до шаблону t_p (зв'язування вгору).

Крок 1. Визначення множини F допустимих батьків для t_p (Алгоритм 2).

Крок 2. Вибір шаблону із визначеної множини F.

Крок 3. Зв'язування вибраного елемента з t_p.

Алгоритм 7. Додавання нового шаблону через залучення (див. рис. 9).

Крок 1. Додаємо новий шаблон t_new як нащадка до t.

Крок 2. З шаблону t створюємо простір S.

Крок 3. Залучаємо простори потрібних користувачів до простору S.

Охарактеризуємо способи надання доступу до нового шаблону t_new.

1 спосіб. Додавання t_new через зміну дерева шаблонів.

У цьому випадку реалізувати t_new зможуть всі власники просторів, з яких цей шаблон доступний, тобто просторів, створених з батьківського по відношенню до t_new. Це ускладнює обмеження доступу до нього, що в багатьох випадках є неприйнятним. Наприклад, нехай створюється t_new "аспірант викладача", реалізувати який повинен сам викладач. Згідно вказаного способу, цей шаблон повинен бути нащадком шаблону "викладач". Оскільки простори викладачів створюються за одним і тим самим шаблоном, то всі вони отримують доступ до t_new. Але ж не всі викладачі мають аспірантів і навіть не всі мають дозвіл на це. Крім того, аспірантів можуть мати не тільки викладачі, а й інші наукові співробітники, що зумовлює потребу модифікації і їхніх шаблонів.

2 спосіб. Використання залучення.

Так, в ролі нового шаблону t¹_new може бути вказаний вище шаблон "аспірант викладача". Доступ до нього через залучення отримують ті викладачі і співробітники, які мають аспірантів чи мають дозвіл на їх керування. Слід зауважити, що простір типу S створюється для кожного окремого t_new, бо t_new буде некратним, знову виникає проблема обмеження доступу нього. Залучення ж передбачає можливість надання доступу не лише окремим групам (типам) користувачів, а й окремим користувачам. Розміщення t_new та залучення до нього виконує адміністратор. Автоматизація цієї роботи здійснюється через надання доступу визначеним користувачам до простору, що містить засоби створення шаблону і залучення до нього.

Разом з перевагами щодо обмеження доступу до t_new, другий спосіб вимагає додаткових організаційних витрат, пов'язаних, зокрема, із залученням до просторів з t_new. Тому вибір залежить від конкретних умов, насамперед від масштабів та ієрархічної глибини системи.

Видалення існуючого шаблону t відбувається разом з усім деревом, коренем якого він є.

Випадок 1. Коли шаблон та всі його нащадки в усіх поколіннях жодного разу не були реалізовані, це зводиться до простої модифікації дерева шаблонів у вигляді вилучення відповідної ділянки. Втрат корисної інформації немає.

Випадок 2. Видаляються раніше реалізовані шаблони. Якщо цінного вмісту на виділеній ділянці просторів немає, ця модифікація є простою. Якщо ж при видаленні шаблону треба зберегти цінну інформацію, це зводиться до унеможливлення доступу до непотрібних шаблонів та збереження доступу до просторів з потрібним контентом.

У даному розділі також викладено основні засади програмної реалізації ШПП. Здійснюється огляд інструментарію для імплементації ШПС та створення контенту, показано організацію даних, механізми збереження структури шаблонів та їх ієрархії, забезпечення диференціації доступу та безпеки, пошуку, залучення, а також наведено приклади ієрархій сутностей.

Для реалізації ШПП обрано: MySQL (для реалізації рівня баз даних); J2EE (для реалізації бізнес-логіки); HTML (для презентаційного рівня); XML (для опису структури шаблонів та їх ієрархії, опціонально).

Гнучкість ШПП вимагає дистанціювання від тісної прив'язки до класів, що описують конкретні сутності. Тому схема даних включає лише кілька таблиць: "користувач", "простори", "залучення" та "шаблони". Таблиця "шаблони" задає шаблонну ієрархію, самі ж шаблони описані в окремих файлах в XML-подібному форматі. Ієрархію шаблонів можна зберігати і в окремому XML-файлі. Обраний в реалізації спосіб є одним з варіантів.

Незважаючи на існуючі переваги та недоліки різних інструментальних засобів, технологія реалізації ШПП взагалі не є прив'язаною до певної до інструментальної платформи. Це обумовлюється можливістю зосередження бізнес-логіки ШПП на Web-рівні, що ефективно реалізується за допомогою різного інструментарію: J2EE (зокрема, JSP/JavaServlet), PHP, ASP, ColdFusion та ін.

Проводячи паралелі з об'єктно-орієнтованим підходом, слід зауважити, що ШПП ідеологічно спирається на ООП, оскільки стержнем його також є ієрархія. Простір є екземпляром шаблону, об'єкт є екземпляром класу. Можливості включення кількох однакових шаблонів в ієрархію відповідає, наприклад, кратне успадкування в С++ чи механізм інтерфейсів у Java.

Водночас, є свої особливості. Так, відношення "бути нащадком/батьком" в термінах ШПП не означає успадкування властивостей, воно лише специфікує доступ до створення нового простору. ШПП не підтримує поліморфізм та інкапсуляцію в розумінні ООП. Поведінка в межах простору може варіюватися для різних реалізацій одного і того ж шаблону. Включення нових компонентів (ActiveX, COM, CORBA, EJB) передбачає попереднє їх створення, яке включає основні етапи розробки ПЗ. Додавання нових та модифікація існуючих шаблонів здійснюється в режимі он-лайн, коли система вже функціонує.

Висновки

У дисертаційній роботі здійснено розробку шаблонно-просторового підходу до створення програмних систем, який вирішує важливу задачу забезпечення мобільності, гнучкості мережної системи підтримки навчального процесу без втрати функціональності. Це має важливе значення для академічної сфери, оскільки дає можливість створювати і встановлювати системи підтримки навчання з унікальними наборами сутностей, що відповідають специфіці конкретних закладів, значно розширюючи можливості організації навчальної та наукової діяльності.

Основними теоретичними та практичними результатами дисертації є наступні.

Розроблено новий шаблонно-просторовий підхід до побудови мережних систем підтримки навчальної діяльності в закладах освіти. До характерних особливостей даного підходу відносяться: наявність засобів динамічного проектування, створення i модифікації шаблонів, що моделюють сутності навчального процесу, встановлення між ними ієрархічних зв'язків; можливість оперативного наповнення шаблонно-просторової системи вмістом у вигляді просторів, що створюються за відповідними шаблонами, встановлення між просторами горизонтальних зв'язків. Динамічне створення шаблонів дозволяє проектувати системи, що є досить різними за набором сутностей та ієрархічною впорядкованістю. Гнучкість досягається за рахунок оперативного створення просторів, відсутності статичної шаблонної ієрархії, можливості варіації набору базових сутностей та застосування залучення - нового ефективного способу надання диференційованого доступу.

Започатковано розробку формалізованого апарату шаблонно-просторового підходу, зокрема, введено поняття сімейства кратних шаблонів та з'ясовано їхні властивості, обґрунтовано умови скінченності дерева шаблонів та умови коректності для різних способів його модифікації. Розглянуто алгебру шаблонних ієрархій на визначеній множині шаблонів, досліджено властивості множини цих ієрархій.

Розроблено алгоритми генерації множини допустимих суміжних шаблонів, алгоритми модифікації ієрархії шаблонів та просторів, запропоновано різні способи додавання нових сутностей, встановлено їх переваги, недоліки та особливості застосування.

Здійснено програмну реалізацію визначальних положень шаблонно-просторового підходу, обґрунтовано незалежність технології його реалізації від інструментальної платформи.

Продемонстровано можливість використання системи, створеної на основі шаблонно-просторового підходу, для підтримки діяльності закладів, які оперують різними системами сутностей.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Ткаченко О.М. Web-орієнтована система підтримки навчального процесу // Вісник Київського університету. Серія: Фізико-математичні науки.- К., 2003.- №4.- С.297-301.

2. Завадський І.О., Ткаченко О.М. Про один підхід до побудови мережевого освітнього середовища // Вісник Київського університету. Серія: Фізико-математичні науки.- К., 2004.- №1.- С.210-216.

3. Ткаченко О.М. Динамічне створення та зв'язування шаблонів у середовищі підтримки навчального процесу // Вісник Київського університету. Серія: Фізико-математичні науки.- К., 2004.- №2.- С.345-349.

4. Ткаченко О.М. Зберігання шаблонів у динамічній мережній системі підтримки навчання // Вісник Київського університету. Серія: Фізико-математичні науки.- К., 2004.- №3.- С.282-286.

5. Ткаченко О.М. Модифікація шаблонної ієрархії мережної системи підтримки навчального процесу // Тези доповідей міжнародної конференції "Theoretical and Applied Aspects of Program Systems Development (TAAPSD'2004)". - К., 2004.- С.170-175.

6. Ткаченко О.М. Формальні аспекти моделювання динамічного освітнього середовища // Сборник докладов Международной научно-практической конференции "Единое информационное пространство".- Днепропетровск: УГХТУ, 2003.- С.55-58.

7. Ткаченко О.М. Реалізація додавання нових шаблонів у мережному середовищі підтримки навчального процесу // Сборник докладов и тезисов II-го Международного молодёжного форума "Информационные технологии в XXI веке". - Днепропетровск: УГХТУ, 2004. - С.178-179.

Ткаченко О.М. Методи та програмні засоби сервісів мережних навчальних комплексів.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 01.05.03 - математичне та програмне забезпечення обчислювальних машин і систем. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2005.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню мережних програмних систем підтримки навчального процесу з динамічною модифікацією структури і вмісту.

Запропоновано шаблонно-просторовий підхід до створення таких систем, який дозволяє реалізувати динамічне проектування, створення і модифікацію ієрархії шаблонів, що моделюють сутності навчального процесу, здійснювати створення просторів, які створюються з відповідних шаблонів і в яких міститься основна інформація, задано правила поведінки та рівень доступу.

Розроблено основи формалізованого апарату функціонування шаблоно-просторових програмних систем, зокрема, розглянуто властивості кратних шаблонів, встановлено умови скінченності шаблонної і просторової ієрархій та умови коректності модифікації дерева шаблонів. Розглянуто алгебру шаблонних ієрархій та її властивості.

Розроблено алгоритми модифікації шаблонної та просторової ієрархії. Здійснено програмну реалізацію визначальних положень шаблонно-просторового підходу.

Ткаченко А.Н. Методы и программные средства сервисов сетевых образовательных комплексов.- Рукопись.

Диссертация на получение ученой степени ступени кандидата технических наук по специальности 01.05.03 - математическое и программное обеспечение вычислительных машин и систем. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2005.

Диссертационная работа посвящена исследованию сетевых программных систем поддержки учебного процесса, в которых реализуется динамическая модификация структуры и содержания.

Предложен шаблонно-пространственный подход (ШПП) к созданию указанных программных систем, в основе которого лежат понятия шаблона и пространства. С помощью шаблонов моделируются сущности учебного процесса, например, "лекция", "преподаватель", "научный семинар" и т. д. Пространства есть конкретная реализация шаблона, например, "преподаватель И.И. Иванов". В них содержится основная информация, заданы правила поведения и уровень доступа. Каждый шаблон при необходимости реализуется многократно.

В зависимости от особенностей организации учебного процесса в отдельном заведении, разрабатывается собственная система сущностей. Добавление новых пользователей сводится к созданию нужных пространств из пользовательских шаблонов.

Между шаблонами можно устанавливать иерархические отношения, которые определяют уровень доступа пользователя - собственника данного пространства - к априори заданному множеству доступных для него шаблонов. Это множество зависит от типа пользователя. Например, если шаблон "портфолио" есть наследником шаблона "студент", это означает, что каждый студент, для которого уже существует его собственное пространство (созданное администратором из шаблона "студент"), может реализовать доступный ему шаблон "портфолио", т. е. иерархия определяет возможности создания пространств из доступных шаблонов и возможности навигации по ранее созданным пространствам. Кроме возможности динамического создания пространств самими пользователями, в рамках ШПП разработан механизм приобщения - предоставления доступа другим пользователям к собственным пространствам. И, наконец, пользователи с соответствующими правами могут создавать новые шаблоны, устанавливать и изменять их иерархию.

Таким образом, задача обеспечения гибкости ШПП-системы (сетевой программной системы на основе ШПП для поддержки учебного процесса) решается за счет таких определяющих возможностей: динамическое создание пространств, динамическое создание шаблонов с возможностью изменения их иерархии, приобщение.

В диссертационной работе положено начало разработке формализованного аппарата функционирования шаблонно-пространственных программных систем. Рассмотрены условия существования кратных шаблонов и их влияние на конечность шаблонной иерархии. Дано обоснование условиям конечности дерева шаблонов и пространств.

...