Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра прикладной математики и вычислительной техники

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к выпускной квалификационной работе бакалавра на тему: Автоматизированная информационная система генерации семестровых рабочих графиков с учетом выявленной сложности освоения дисциплин

Студента ГИП-111 Юльского Андрея Петровича

Самара 2015 г.

Реферат

Выпускная квалификационная работа бакалавра.

Автоматизированная информационная система, семестровые графики, учебные планы, ФГОС ВПО, оптимизация.

Объектом проектирования и исследования является автоматизированная информационная система генерации семестровых рабочих графиков с учетом сложности освоения и восприятия дисциплин.

Цель работы: повысить качество организации учебного процесса за счет снятия пиковых значений трудоемкости освоения учебного материала.

Задачи:

1) изучить различные методы оптимизации рабочих графиков и учебных планов;

2) разработать математическую модель;

3) разработать методику выявления сложности освоения дисциплин;

4) разработать и реализовать информационную систему позволяющую создать оптимизированные семестровые графики, на основе разработанной математической модели.

Информационная система спроектирована по методологии UML.

Объектом исследования данной системы являются АИС генерации семестровых рабочих графиков.

Предмет исследования - генерация семестровых рабочих графиков.

Методы исследования: анализ результатов расчета.

Перечень сокращений и условных обозначений

В данной работе используются следующие сокращения:

БД - база данных

ВУЗ - высшее учебное заведение

АИС - автоматизированная информационная система

ИС - информационная система

АИС ГСРГ - автоматизированная информационная система генерации семестровых рабочих графиков

СГАСУ - Самарский государственный архитектурно-строительный университет

СУБД - система управления базами данных

ФГОС ВПО - федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования

ФИСТ - факультет информационных систем и технологий

UML - Unified Modeling Language - язык визуального моделирования, основанный на объектно-ориентированном подходе

Аннотация

В данной работе необходимо реализовать автоматизированную информационную систему разработки рабочих графиков, основываясь на основной образовательной программе. Созданная программа рассчитывает и оптимизирует рабочий график с учетом сложности выявленной сложности освоения и восприятия дисциплин, а также с учетом распределения времени по семестрам.

Был согласован перечень реализуемых экранов:

1) окно авторизации;

2) окно работы студента;

3) окно прохождения опроса студента;

4) окно результатов опроса студента;

5) окно просмотра исходных и рассчитанных семестровых графиков с указанием рассчитанной сложности освоения дисциплин в семестре;

6) окно работы декана;

7) окно работы администратора ИС;

8) окно добавления/удаления пользователей.

• Содержание
• Реферат
• Перечень сокращений и условных обозначений
• Введение
• 1. Системотехническая часть
• 1.1 Описание и анализ предметной области
• 1.2 Обзор аналогов и прототипа
• 1.3 Цели создания ИС
• 1.4 Модель анализа UML

1.5 Научные исследования

• 1.6 Математическая модель
• 2. Реализация
• 2.1 Архитектура и платформа реализации
• 2.2 Физическая структура БД
• 2.3 Расчет комплекса технических средств
• 2.4 Основные интерфейсы
• 2.5 Диаграмма компонентов
• 2.6 Диаграмма развертывания
• 2.7 Программа и методика испытаний
• 2.8 Контрольный пример
• 2.9 Руководство пользователя
• 3. Внедрение и анализ эффективности
• 3.1 Описание объекта внедрения
• 3.2 Описание хода внедрения
• 3.3 Описание результатов внедрения
• 3.4 Технико-экономическое обоснование внедрения информационной системы оценки качества освоения основных образовательных программ бакалавриата
• 3.5 Расчет экономического эффекта внедрения информационной системы оценки качества освоения основных образовательных программ бакалавриата
• 4. Организационная деятельность и саморазвитие
• 4.1 Сведения о деятельности возглавляемого научного микроколлектива
• 4.2 Перечень публикаций
• 4.3 Перечень участия в конференциях
• 4.4 Перечень выполненных в период обучения курсовых проектов и работ
• 4.5 Портфолио
• Заключение
• Список использованных источников
• Приложения
• Введение
• В современном обществе проблема организации учебного процесса очень актуальна. Для формирования рабочих графиков необходимо проводить исследования сложности освоения дисциплин в студенческой среде. В настоящий момент существует много методик оценки качества обучения, к примеру, тестирование, которое является самой популярной системой проверки остаточных и промежуточных знаний. К сожалению, они не дают сведений для формирования учебных графиков с учетом сложности освоения дисциплин, что особенно актуально при индивидуализированном обучении. Данная система позволяет создавать новые и оптимизировать существующие графики обучения, что помогает распределить нагрузку на студентов и преподавателей наиболее равномерно, что приведет к улучшению приобретения профессиональных навыков в рамках учебной программы.

Существующие виды создания графиков неидеальны, в частности, определение трудоемкости тех или иных дисциплин порой бывает затруднено отсутствием объективного мнения. Эта проблема стала основой для выполнения данного исследования. В ходе ряда тестов было получено достаточно данных для их исследования, анализа и использования. В данной работе предпринята попытка произвести расчет оптимального учебного графика.

В данной работе было составлено и утверждено техническое задание на выпускную квалификационную работу бакалавра. Также, был проведен анализ предметной области, обзор и сравнение аналогов, расчет оптимального учебного плана и реализация системы.

Были изучены материалы из статей «Международной ассоциации ученых, преподавателей и специалистов», таких как О.Ф. Пиралова, А.В. Хуторской, Н.А. Дроздов, и другие ученые[1-3].

1. Системотехническая часть

1.1 Описание и анализ предметной области

Под индивидуализированным обучением, в отличие от индивидуального, будем понимать групповое обучение (что соответствует традициям вузов), но по рабочим графикам наиболее полно соответствующим особенностям подготовки группы студентов в целом.

Основой системы является организация обучения в учебном заведении по семестрам и по индивидуальным планам. Данная информационная система позволяет реализовать единую систему автоматизированного планирования учебного процесса в высшем учебном заведении, которая позволяет создавать новые и оптимизировать существующие графики, что помогает распределить нагрузку на студентов и преподавателей наиболее равномерно, для приобретения отдельных элементов профессиональных компетенций в рамках учебной программы. Система рассчитана на следующий круг лиц: декан, студенты.

Существующие виды создания графиков не свободны от недостатков, в частности, определение трудоемкости и сложности освоения тех или иных дисциплин порой бывает затруднено отсутствием объективного мнения. Эта проблема стала основой для выполнения данного исследования. В ходе ряда тестов было получено достаточно данных для исследования ряда аспектов. В данной работе предпринята попытка оптимизировать существующий учебный график, с учетом сложности восприятия и освоения дисциплин.

Информационной базой является база данных результатов тестирования по сложности освоения и восприятия дисциплин, а также некоторые данные из рабочего графика по направлению 230400.62.

В ходе анализа были использованы информационные технологии, такие как LibreOffice Calc и PostgreSQL. Выбор этих продуктов был обусловлен отсутствием в модуле оптимизации ограничений на количество неизвестных.

Для оптимизации (выравнивания) трудоемкостей использованы методы линейного программирования. Исходные данные по сложности освоения дисциплин получены путем анкетирования студентов. Для расчетов трудоемкости освоения были использованы аудиторные часы.

После выполнения анализа, была написана АИС на языке программирования С++ с использованием фреймворка Qt.

Исходные данные к работе: разработать систему для автоматизированной генерации семестровых рабочих графиков с учетом выявленной сложности освоения дисциплин.

Требуется реализовать следующие функции:

1) регистрация пользователей и авторизация входа в систему по логину и паролю;

2) ведение справочной информации;

3) ведение оперативной информации:

3.1) прохождение опроса.

4) оптимизационный расчет;

5) формирование и выдача отчетов по запросам пользователей в экранной форме:

5.1) отчет по оптимизации семестровых графиков;

5.2) отчет по времени обработки данных и выполнении расчета.

Программа должна сохранять сгенерированные графики, а также возможность удалять их по требованию пользователя.

Преимущества информационной системы:

1) удобный и дружелюбный в использовании интерфейс для ввода и просмотра данных;

2) возможность оценить сложность освоения дисциплин непосредственно самими студентами.

Периодичность использования модуля для оценки сложности освоения дисциплин составит один раз в год, а именно, в конце учебного года. Модуль оптимизации семестровых рабочих графиков можно будет использовать сразу после прохождения опроса студентами.

1.2 Обзор аналогов и прототипа

Проведя анализ информации по интернет-источникам, не было выявлено прямых аналогов для данной программы поэтому, систему можно считать новой в данном направлении. Описанные аналоги представлены в пунктах 1.2.1-1.2.3.

1.2.1 Система управления учебным процессом в ВУЗе (СГАСУ)

Система управления учебным процессом в ВУЗе (СГАСУ) [4] включает в себе несколько подсистем:

1) электронный журнал - регулярная аттестация студентов, с возможностью просмотра динамики;

2) система тестирования - модуль с возможностью создания, редактирования и прохождения тестирования;

3) составление учебных графиков - генерация семестровых рабочих графиков.

На рисунках 1-3 можно увидеть работу модуля составления учебных графиков.

Рисунок 1 - Выбор ООП



Рисунок 2 - Выбор факультета

Рисунок 3 - Просмотр рабочего графика

1.2.2 Информационная система управления учебным процессом (МГИМО)

Система управления учебным процессом (СУУП) -- многофункциональная информационная система оперативного уровня управления учебным процессом ВУЗа[5]. Система предназначена для сбора, хранения, обработки и выдачи аналитической информации, используемой для принятия решений в области управления учебным процессом Университета.

СУУП -- инновационное решение, задуманное и спроектированное в стенах МГИМО, содержащее информацию обо всех бизнес-процессах, проходящих в сфере управления учебным процессом МГИМО.

Информационная система СУУП построена по модульному принципу, каждый модуль содержит информационный массив конкретной направленности:

1) модуль «ППС» -- аккумулируется информация о составе кафедр, качественных и количественных характеристиках профессорско-преподавательского состава, плановой и фактической нагрузке штатных преподавателей, составе и нагрузке преподавателей, приглашаемых на основе почасовой оплаты, и другая информация по ППС, необходимая для построения аналитических отчетов по данному модулю;

2) модуль «Аудиторный фонд» -- содержит информацию о количестве аудиторий различного типа, их расположении и вместимости, основном и дополнительном оборудовании каждой аудитории;

3) модуль «Планы и графики» -- в его составе учебные графики образовательных программ, содержащие список учебных дисциплин, количество лекций и количество семинаров (в часах), вид итогового контроля и другую информацию о читаемых дисциплинах.

4) модуль «Расписание» -- позволяет формировать учебное расписание, экзаменационное расписание и расписание мероприятий, проводящихся в Университете, а также публиковать все вышеназванные расписания на информационном портале МГИМО, что дает возможность любому студенту или преподавателю Университета посмотреть необходимое расписание не только в стенах МГИМО, но и за пределами Университета

Все модули взаимосвязаны и образуют единую информационную среду, доступ к которой разграничен в соответствии с функционалом каждого пользователя. В настоящее время в системе работают около 200 человек. Это сотрудники Учебного отдела, специалисты по учебно-методической работе всех кафедр Университета (ввод и контроль изменений нагрузки штатных преподавателей, составление отчетов), сотрудники деканатов факультетов и магистратур (ввод нагрузки преподавателей, приглашаемых на основе почасовой оплаты, формирование отчетов), сотрудники других структурных подразделений Университета, таких, как управление проверок и контроля, управление международных образовательных программ, планово-экономическое управление (отдел бюджетирования), отдел докторантуры и аспирантуры, управление по работе с персоналом и т. д. Поддерживает и развивает систему Отдел планирования и информатизации учебного процесса Управления учебно-организационной работы.

1.2.3 Другие аналогичные системы генерации графиков

1. Microsoft Excel[6];

2. Корпоративная информационная система (МИСИС)[7].

1.2.4 Сравнительный анализ систем

В табл. 1 приведен сравнительный анализ вышеперечисленных систем.

Таблица 1- Таблица сравнения систем управления учебным процессом.

	MS Excel	Система управления учебным процессом в ВУЗе (СГАСУ)	Информационная система управления учебным процессом (МГИМО)	Корпоративная информационная система (МИСИС)	АИС ГСРГ
Кол-во пользователей	1	3100	500	500	100
Актуальность 0..5	1	5	5	5	5
Мобильная версия 0..1	1	1	0	0	0
Планирование учебного процесса 0..1	0	1	1	1	1
Управление контингентом учащихся 0..1	0	1	0	1	1
Учет текущей успеваемости и посещаемости 0..1	0	1	0	1	0
Формирование учебного расписания 0..1	0	1	1	1	1
Учет количества аудиторий различного типа 0..1	0	0	1	0	0
Учет состава кафедр 0..1	0	1	1	0	0
Опрос студентов для выявления сложности освоения дисциплин	0	0	0	0	1

Рисунок 4 - Информационный кластер

Исходя из выполненных пунктов, были сделаны условные выводы:

1) на основе суммарных оценок (таблица 1) видно, что лидером по всем найденным объектам можно считать СУУП в ВУЗЕ(СГАСУ) т.к. она имеет наивысшую оценку;

2) при поиске информации удалось найти не все характеристики объектов. Систематизированной фактографической информации в табличной форме позволило понять в каких направлениях необходимо искать недостающую информацию;

3) выводы, полученные в пункте 1 нельзя признать достаточно достоверными, потому что ряд клеток таблицы не заполнен. Отсутствующая информация может изменить итоговые выводы. Более достоверные выводы можно сделать на основе кластера информативности (рисунок 4). Последний столбец показывает преимущества проектируемой системы с достоверностью 100%, в отличие от достоверности этого вывода по всему массиву информации (всего 64% информации).

1.3 Цели создания ИС

Основными причинами, побуждающими к созданию автоматизированной информационной системы генерации семестровых рабочих графиков с учетом сложности освоения дисциплин, являются:

1) обеспечение активного личного участия студентов в формировании оптимального учебного плана;

2) обеспечение равномерного расширения и углубления знаний, умений, навыков и компетенций, определяемых содержанием дисциплин из учебного плана;

3) создание гибкой системы обучения на факультете, имеющей такой же потенциал, как и внесение факультативов и дисциплин по выбору в учебный план;

4) повышение качества организации учебного процесса за счет снятия пиковых значений трудоемкости освоения учебного материала.

1.4 Модель анализа UML

1.4.1 Диаграмма вариантов использования

Модель вариантов использования включает диаграммы вариантов использования и соответствующие сценарии, описывает функциональные требования к системе и ее поведение при взаимодействии с пользователями[8].

Все диаграммы языка являются графами специального вида, содержат вершины (геометрические фигуры), связанные ребрами (дугами). Связи обозначаются различными линиями на плоскости, внутри фигур пишется текст, около вершин и связей могут изображаться некоторые графические символы.

В целом процесс объектно-ориентированного проектирования происходит в соответствии с основными принципами структурного системного анализа: нисходящее проектирование с построением иерархии диаграмм, постепенно переводящих нас с уровня на уровень: концептуальный - логический - физический (реализация).

Точка зрения модели: внешний пользователь системы. В диаграмму вариантов использования входят актанты (actors), варианты использования (use case) и ассоциации (association).

Актант (актер, внешняя сущность, actor) - абстрактное описание класса источников/приемников сообщений, которые напрямую взаимодействуют с системой, подсистемой или классом. Это-описание роли, которую играет пользователь (человек или другая система, подсистема, класс) во время взаимодействия с системой. На самом верхнем уровне, например, актантами могут являться оператор, системный администратор, администратор базы данных, обычный пользователь, какой-либо класс устройств.

На рисунке 5 изображена разработанная диаграмма вариантов использования. Актанты «Студент», «Администратор БД», «Декан» обобщают актанта «Пользователь», связанного с вариантом использования «Вход в систему». Связь обусловлена при помощи ассоциации.

Актант «Студент» связан с вариантами использования «Выставление оценки по изученной дисциплине», «Просмотр оптимизированных рабочих графиков» при помощи ассоциации.

Актант «Декан» связан с единственным вариантом использования «Просмотр оптимизированных рабочих графиков» при помощи ассоциации, в связи с характером системы в отношении декана, а именно ознакомление с оптимизированными рабочими графиками.

Актант «Администратор БД» связан с вариантом использования «Ведение справочников» при помощи ассоциации. Варианты использования «Ведение справочника пользователей», «Ведение справочника действующих учебных планов» и «Ведение справочника сложности освоения дисциплин» расширяют вариант использования «Ведение справочников».

1.4.2 Сценарий варианта 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.

Рисунок 5 - Диаграмма вариантов использования

Вариант использования: Выставление оценки по изученной дисциплине.

Краткое описание. Даёт возможность Студенту пройти опрос по сложности освоения и сложности восприятия дисциплин.

Актант. Студент.

Предусловия. Вариант использования «Вход в систему» выполнен с правами Студента. На экране - главная форма приложения с пунктами меню, настроенными на права Студента: «Пройти тестирование», «Просмотр оптимизированных семестровых рабочих графиков» и «Выход».

Основной поток событий:

1. Студент выбирает пункт меню «Пройти тестирование».

А1: Просмотр оптимизированных семестровых рабочих графиков.

А2: Выход.

2. Система выводит на экран форму «Тест». На форме располагается надпись с названием дисциплины, спинбокс с подписью «Сложность освоения», спинбокс с подписью «Сложность восприятия», кнопка «Далее», кнопка «Отмена».

3. Студент вводит оценку от 1 до 5 в поле «Сложность освоения», а так же в поле «Сложность восприятия». После внесения оценок Студент нажимает на кнопку «Далее».

А3: Отмена.

4. Система выдает Студенту форму со следующим вопросом и с теми же полями.

5. Выполняется пункт 3 основной последовательности.

6. По окончанию количества дисциплин, доступных для оценки Студентом, на экране появляется форма с таблицей, отображающей данные студентом ответы опроса со столбцами «Дисциплина», «Оценка сложности освоения», «Оценка сложности восприятия», а также кнопки «Завершить» и «Отмена».

7. Студент нажимает кнопку «Завершить».

А3: Отмена.

8. Система заносит результаты опроса в базу данных и выводит на экран окно с сообщением об удачном добавлении данных в базу данных, с кнопкой «Ок».

9. Студент нажимает кнопку «Ок».

10. Система выводит на экран главное меню программы, с деактивированной кнопкой пройти тест. Вариант использования завершается успешно.

Альтернативы

А1: Просмотр оптимизированных семестровых рабочих графиков..

А1.1 Выполняется вариант использования «Просмотр оптимизированных семестровых рабочих графиков"».

А2: Выход

А2.1 Студент выбирает пункт меню «Выход»

А2.2 Система закрывает главную форму приложения и осуществляет выход на форму "Авторизация". Вариант использования завершается.

А3: Отмена.

А3.1 Студент выбирает пункт «Закрыть»

А3.2 Система закрывает форму «Тест» и осуществляет выход на главную форму приложения, не занося никаких изменений в базу данных.

Постусловия. При успешном завершении на экране - главное меню программы.

Неясные вопросы отсутствуют.

1.4.3 Диаграмма сущностных классов

Класс сущности - используется для моделирования долгоживущей, нередко сохраняемой информации. Классы сущности являются абстракциями основных понятий предметной области - людей, объектов, документов и т. д., как правило, хранимых в табличном или ином виде.

На рисунке 6 изображена разработанная диаграмма сущностных классов. На диаграмме имеются классы: «Студент», «Группа студентов», «Семестровый рабочий график», «Дисциплина», «Опрос», «Преподаватель», «Оптимизированный семестровый рабочий график» и «Пользователь». Каждый из них имеет стереотип «entity». Класс «Студент» связан с классами «Группа студентов» и «Опрос» посредством отношения «ассоциация». Класс «Дисциплина» связан с классами «Опрос», «Семестровый рабочий график» и «Оптимизированный семестровый рабочий график» посредством отношения «ассоциация».



Рисунок 6 - Диаграмма сущностных классов

1.4.4 Диаграмма граничных классов

Граничный класс - используется для моделирования взаимодействия между системой и актерами (пользователями, внешними системами или устройствами). Взаимодействие часто включает в себя получение или передачу информации, запросы на предоставление услуг и т. д. Граничные классы являются абстракциями диалоговых окон, форм, панелей, коммуникационных интерфейсов, интерфейсов периферийных устройств, интерфейсов API (англ. application program interface - интерфейс прикладных программ) и т. д.

На рисунке 7 изображена разработанная диаграмма граничных классов. Все классы данной диаграммы имеют стереотип «boundary». Класс «Окно авторизации» связан с классами «Окно вывода ошибки неверного пароля» и «Главное окно программы». Класс «Главное окно программы» связан с классами «Окно работы Студента», «Окно работы Декана», «Справка по системе» и «Окно редактирования справочников» посредством отношения «зависимость». Класс «Окно работы Студента» связан с классами «Окно выставления оценок сложности восприятия и освоения», «Окно отображения оптимизированных рабочих графиков» посредством отношения «зависимость». Класс «Окно работы Декана» связан с классом «Окно отображения оптимизированных рабочих графиков» посредством отношения «зависимость». Класс «Окно редактирования справочников» связан с классом «Окно редактирования справочника «Пользователи»» посредством отношения «зависимость».

Рисунок 7 - Диаграмма граничных классов

1.4.5 Диаграмма классов управления

Управляющий класс - отвечает за координацию, взаимодействие и управление другими объектами, выполняет сложные вычисления, управляет безопасностью, транзакциями и т. п.

На рисунке 8 изображена разработанная диаграмма классов управления. Все классы данной диаграммы имеют стереотип «control». Класс «Менеджер приложения» связан с классом «Менеджер СУБД» посредством отношения «зависимость».

Рисунок 8 - Диаграмма классов управления

1.4.6 Диаграмма состояний

Диаграмма состояний - это, по существу, диаграмма состояний из теории автоматов со стандартизированными условными обозначениями, которая может определять множество систем от компьютерных программ до бизнес-процессов.

Диаграмма состояний (приложение А рисунок А.1) имеет два простых состояния: «Авторизация пользователя» и «Завершение работы приложения», и два состояния, имеющих вложенные состояния: «Работа с приложением» и «Работа со справочниками». Состояние «Авторизация пользователя» имеет следующие действия «entry/отобразить форму», «do/проверить имя и пароль» и «exit/закрыть форму». Состояние «Завершение работы приложения» имеет действие «do/выйти в операционную систему». Состояние «Работа с приложением» имеет следующие внутренние состояния: «Работа с тестированием», «Работа с оптимизированными рабочими графиками» и «Работа со справкой». Состояние «Работа со справочниками» имеет следующие внутренние состояния: «Работа со справочником пользователей», «Работа со справочником оценки сложности освоения дисциплин», «Работа со справочником оценки сложности восприятия дисциплин», «Работа со справочником действующих учебных планов» и «Работа со справочником оптимизированных учебных планов».

1.4.7 Разработка логической структуры БД

Логическая структура реляционной базы данных определяется совокупностью логически взаимосвязанных реляционных таблиц. Каждая таблица имеет структуру, определяемую реквизитным составом одного из информационных объектов полученной информационно-логической модели. Логические связи между таблицами соответствуют структурным связям между объектами.

В результате анализа предметной области и, исходя из поставленных задачей, для функционирования ИС было выделено семь сущностей:

1) пользователь - предназначена для хранения данных о пользователях ИС (Атрибуты: id пользователя, ФИО, логин, пароль, категория);

2) студент - предназначена для хранения данных о студентах (Атрибуты: id студента, id группы, ФИО, признак прохождения опроса);

3) группа студентов - предназначена для хранения данных о группах студентов (Атрибуты: id группы, Название группы, Курс);

4) опрос - предназначена для определения сложности освоения дисциплин (Атрибуты: id опроса, id студента, id группы, id дисциплины, оценка сложности освоения, оценка сложности восприятия);

5) семестровый рабочий график - необходим для дальнейшей оптимизации (Атрибуты: id, id дисциплины, суммарное количество часов, признак включения в семестр, количество часов в осеннем семестре, количество часов в весеннем семестре);

6) оптимизированный семестровый рабочий график - необходим для дальнейшей оптимизации (Атрибуты: id, id дисциплины, суммарное количество часов, признак включения в семестр, количество часов в осеннем семестре, количество часов в весеннем семестре);

7) дисциплина - содержит информацию об изучаемых дисциплинах (Атрибуты: id дисциплины, название дисциплины)

Логическая структура реляционной базы данных (схема данных), построенная на основе информационно-логической модели предметной области «Генерация семестровых рабочих графиков» приведена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Логическая структура БД

1.5 Научные исследования

Информационной базой является база данных результатов тестирования по сложности освоения и восприятия дисциплин, а также некоторые данные из рабочего графика по направлению 230400.62.

В ходе анализа были использованы информационные технологии, такие как LibreOffice Calc и SQLite. Выбор этих продуктов был обусловлен отсутствием в модуле оптимизации ограничений на количество неизвестных.

Для оптимизации (выравнивания) трудоемкостей использованы методы линейного программирования. Исходные данные по сложности освоения дисциплин получены путем анкетирования студентов. Для расчетов трудоемкости освоения были использованы аудиторные часы. Перенос дисциплин по курсам не предусматривался. Результат анализа представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Оптимизированный учебный график

K	Tk	Hk	Vk	Sa	Sb	Hak	Hbk	Vak	Vbk	Tak	Tbk
1	3	36	2	1	0	36	0	2	0	3	0
2	2	32	2	1	0	32	0	2	0	2	0
3	3	68	4	0	1	0	68	0	4	0	3
4	2	68	5	0	1	0	68	0	5	0	2
5	3	72	2	0	1	0	72	0	2	0	3
6	3	32	2	1	0	32	0	2	0	3	0
7	3	72	2	1	0	72	0	2	0	3	0
8	3	72	2	0	1	0	72	0	2	0	3
9	3	36	2	0	1	0	36	0	2	0	3
10	3	36	4	1	0	36	0	4	0	3	0
11	3	72	3	1	0	72	0	3	0	3	0
12	3	72	4	0	1	0	72	0	4	0	3
13	3	54	5	1	0	54	0	5	0	3	0
14	3	54	4	0	1	0	54	0	4	0	3
15	3	54	2	1	0	54	0	2	0	3	0
16	3	54	3	1	0	54	0	3	0	3	0
17	3	54	2	1	0	54	0	2	0	3	0
18	3	54	3	1	0	54	0	3	0	3	0
19	3	72	3	0	1	0	72	0	3	0	3
20	3	72	4	1	0	72	0	4	0	3	0
21	2	36	5	0	1	0	36	0	5	0	2
22	3	36	2	0	1	0	36	0	2	0	3
23	2	36	2	1	0	36	0	2	0	2	0
24	3	36	2	0	1	0	36	0	2	0	3
25	4	36	3	0	1	0	36	0	3	0	4

Где K - индекс дисциплины, входящей в учебный план;

Tk - сложность освоения дисциплины, полученная в ходе результатов тестирования студентов в диапазоне от 1 до 5;

Hk - часы по дисциплинам, указанные в учебном графике;

Vk - сложность восприятия дисциплины, полученная в ходе результатов тестирования студентов в диапазоне от 1 до 5;

Sa, Sb - признак включения дисциплины в осенний/весенний семестры;

Hak, Hbk - количество часов по дисциплинам, включенным в осенний/весенний семестры;

Vak, Vbk - сложность восприятия дисциплин, включенных в осенний/весенний семестры;

Tak, Tbk - сложность освоения дисциплин, включенных в осенний/весенний семестры;

По данным из таблицы 2 был выполнен дальнейший расчет, представленный в таблице 3.

Таблица 3 - Распределение времени, сложности освоения и восприятия дисциплин по семестрам.

Ha	Hb	Ta	Tb	Va	Vb	Ta+Va/Tb+Vb
658	658	37	35	36	38	1

где Ha, Нb - суммарное количество часов в осеннем/весеннем семестрах;

Ta, Tb - суммарная сложность освоения осеннего/весеннего семестров;

Va, Vb - суммарная сложность восприятия осеннего/весеннего семестров;

Для наглядности была построена диаграмма, представленная в рис. 10.

Рисунок 10 - Диаграмма результатов оптимизации

При оптимизации плана отношение сумм сложностей освоения и восприятия дисциплин должно стремиться к 1, что было достигнуто в ходе выполнения работы.

Полученные результаты исследования могут служить источником информации при совершенствовании системы обучения.

Конечно, проведенный анализ нуждается в дальнейшем углублении и развитии, в частности, необходимо добавить в базу данных больше учебных планов.

1.6 Математическая модель

Формальная постановка линейного программирования:

1) Целевая функция:

2) Переменные оптимизации:

3) Ограничения:

- бинарные.

,

где - количество дисциплин на курсе



4) Исходные данные:

- трудоемкость дисциплины, выражена в академических часах;

- сложность восприятия по -ой дисциплине, осредненная по группе студентов;

- сложность освоения по -ой дисциплине, осредненная по группе студентов;

5) Параметры оптимизации:

- допустимое отклонение сбалансированности семестров;

,

где 0 - полностью несбалансированный семестровый рабочий график;

1 - идеально сбалансированный семестровый рабочий график.

2. Реализация

2.1 Архитектура и платформа реализации

Автоматизированная информационная система генерации семестровых рабочих графиков с учетом сложности освоения дисциплин реализуется при помощи языка программирования С++ с использованием Фреймворка Qt Creator 3.4.0 (кроссплатформенная свободная IDE для разработки на С,С++ и QML), имеет отдельный сервер для баз данных. В системе используется СУБД PostgreSQL 9.3 в качестве программного средства, предназначенного для создания структуры новой базы, хранения системной информации, редактирования содержимого и отбора данных в соответствии с заданными критериями, упорядочения, оформления и последующей выдачи данных на устройства вывода или передачи по каналам связи. В таблице 4 представлены характеристики объекта автоматизации.

Таблица 4 - Характеристики объекта автоматизации

Тип используемой сети	вычислительная сеть Интернет с максимальной пропускной способностью 100Мбит/сек
Тип организации взаимодействия	использование системы на ЭВМ пользователя подключенной к сети Интернет
Максимальная интенсивность запросов к серверу	150 ед/сутки
Максимальный объем запроса	1 Кбайт
Объем возвращаемых данных	не более 5 Мбайт
Срок службы АИС	5 лет

2.2 Физическая структура БД

Физическое проектирование базы данных - процесс подготовки описания реализации базы данных на вторичных запоминающих устройствах. На этом этапе рассматриваются основные отношения, организация файлов и индексов, предназначенных для обеспечения эффективного доступа к данным, а также все связанные с этим ограничения целостности и средства защиты.

В качестве СУБД для разработки базы данных системы использовался PostgreSQL. Физическая структура БД соответствует разработанной ранее логической структуре.

В таблице 5 приведено соответствие имен сущностей логической структуры и таблиц физической структуры БД.

Таблица 5 - Соответствие сущностей таблицам БД

Сущность на логическом уровне	Таблица на физическом уровне
Студент	student
Группа студентов	stud_group
Опрос	opros
Семестровый график	s_graph
Оптимизированный семестровый график	o_graph
Дисциплина	dis
Пользователь	users

Физическая структура реляционной базы данных приведена на рис. 11.

Рисунок 11 - Физическая структура БД

2.3 Расчет комплекса технических средств

2.3.1 Расчет ресурсов внешней памяти

По формуле (1) был проведен расчёт ресурсов внешней памяти.

, (1)

где V_ВП - общий объем внешней памяти, Гбайт;

V_ОС - объем внешней памяти, требуемый для хранения файлов операционной системы, Гбайт;

V_СУБД - объем внешней памяти, требуемый для хранения файлов СУБД, Гбайт;

V_данных - объем внешней памяти, требуемый для хранения записей базы данных и результатов выполнения функций, Гбайт;

V_{программы} - объем внешней памяти, необходимой для хранения текстов и библиотек приложений, Гбайт.

VОС- объем внешней памяти, по паспорту для операционной системы Linux Xubuntu- 2 Гб;

VСУБД - объем внешней памяти, требуемый для хранения файлов СУБД по паспорту для PostgreSQL - 0.03 Гб

В таблице 6 показан расчёт максимального объема базы данных.

Таблица 6 - Расчёт объема БД

Таблица БД	Размер записи, байт	Макс. кол-во записей	Размер индекса, Кбайт	Всего, Кбайт
Таблица пользователей	781	1000	-	762,69
Таблицы семестровых рабочих графиков	279	65	-	17,71
Таблица оценок сложности освоения дисциплин	12	65000	-	761,71
Таблицы оптимизированных семестровых рабочих графиков	279	65	-	17,71
Таблица дат проведения оптимизации	13	3650	-	46,34
Таблица дисциплин	259	65	-	16,44
Таблица групп студентов	263	20	-	5,14
Таблица информации по семестровым рабочим графикам	28	4	-	0,11
Таблица информации по оптимизированным семестровым рабочим графикам	28	4	-	0,11
Таблица с результатами расчета средней сложности освоения и восприятия дисциплин	12	744	-	8,72
Таблица групп пользователей	259	3	-	0,76
	Итого:	1637,44

V данных - объем памяти, требуемый для хранения записей базы данных составляет 0,002 Гб;

V программы - объем внешней памяти, необходимой для хранения текстов и библиотек приложений -0,03 Гб.

V_ВП = V_ОС (2.0) + V_СУБД (0.03)+V_данных (0.002)+V_{программы} (0.03) = 2.062 Гб

2.3.2 Расчёт требуемых ресурсов оперативной памяти

По формуле (2) был проведен расчёт ресурсов оперативной памяти

, (2)

где V_ОП - общий объем оперативной памяти, Мбайт;

V_ОС - объем оперативной памяти, требуемый для установки операционной системы, Мбайт;

V_СУБД - объем оперативной памяти, требуемый для установки СУБД, Мбайт;

V_данных - объем оперативной памяти, требуемый для хранения записей базы данных и результатов выполнения функций, Мбайт;

V_{программы} - объем оперативной памяти, необходимой для хранения текстов и библиотек приложений, Мбайт.

VОС- по паспорту для операционной системы Linux Xubuntu - 1024 Мб;

VСУБД - по паспорту для СУБД PostgreSQL - 34.5 Мб:

V данных - 1.5 Мб (таблица 4);

V программы - 30 Мб.

V_ОП = V_ОС (1024)+V_СУБД (34.5)+V_данных (1.59) + V_{программы} (30)= 1090.1Мб.

2.3.3 Требования к техническому и программному обеспечению

Приведем минимальные требования к техническому и программному обеспечению, исходя из расчетов объемов внешней и оперативной памяти, приведенных в п. 2.3.1-2.3.2. Требования к процессору определяются требованиями ОС.

Минимальные требования к рабочей станции:

1) процессор класса Pentium с тактовой частотой 1,6 ГГц и выше;

2) объем оперативной памяти не менее 2 Гб;

3) объем свободного дискового пространства не менее 22,1 Гб;

4) тип операционной системы - Linux Ubuntu 14.04 (или вышедшие следом);

5) манипулятор типа «мышь»;

6) монитор с разрешением 800x600 и выше.

К системным требованиям и ограничениям относятся:

1) ограничения на программные интерфейсы, в том числе к внешним системам;

2) требования к атрибутам качества;

3) требования к применяемому оборудованию и ПО;

4) требования к документированию;

5) требования к дизайну и удобности интерфейсов;

6) требования к безопасности и надёжности;

7) требования к показателям назначения (производительность, устойчивость к сбоям и т.п.);

8) требования к эксплуатации и персоналу;

9) прочие требования и ограничения (внешние воздействия, мобильность, автономность и т.п.).

2.4 Основные интерфейсы

Авторизация пользователей - процедура идентификации лица для предоставления доступа к неким ресурсам или возможностям, имеющим ограниченный доступ. Форма авторизации представлена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Окно входа в АИС генерации семестровых рабочих графиков

В разработанной системе пользователь с правами Администратора имеет доступ к справочникам, а именно:

1) справочник пользователей;

2) справочник сложности освоения и восприятия дисциплин;

3) справочник действующих учебных планов;

Ведение справочников подразумевает под собой добавление, удаление и редактирование записей в таблицах БД. Окно работы Администратора представлено на рисунке 13.



Рисунок 13 - Окно работы Администратора

Для пользователя с правами Студента предусмотрен доступ к опросам. Форма опроса представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Форма опроса студентов

Также, в системе предусмотрена функция оптимизации учебных планов. Благодаря этой функции можно увидеть результаты оптимизации (рисунок 15).



Рисунок 15 - Оптимизированный график

2.5 Диаграмма компонентов

Диаграмма компонентов - это диаграмма, которая показывает разбиение программной системы на компоненты и связи между ними. В качестве компонентов могут выступать пакеты, файлы, модули и т.п.

Диаграмма компонентов разработанной системы состоит из исполняемого файла «auth» от которого зависят «student», «decane» и «admin». Сервер БД состоит из PostgreSQL, файла базы данных «database». Сервер БД и разработанная система зависят от операционной системы «Lunix». Диаграмма компонентов к системе представлена на рисунке 16.

В таблице 7 дано краткое описание основных использованных классов. Полный код системы представлен в приложении В.

Таблица 7 - Основные классы

Класс	Описание
QApplication	Класс, управляющий потоками и основными настройками графического пользовательского интерфейса
QComboBox	Класс виджета, совмещающий в себе кнопку и всплывающий список
QMessageBox	Класс, вызывающий модальный диалог для информирования пользователя
QTableWidgetItem	Класс, обеспечивающий объект для использования с классом QTableWidget
QDebug	Класс, обеспечивающий поток вывода для отладочной информации
QProcess	Класс, используемый для запуска внешних программ и связи с ними
QSqlDatabase	Класс, предоставляющий соединение к базе данных
QSqlError	Класс, обеспечивающий вывод информации об ошибках в базах данных SQL
QSqlTableModel	Класс, обеспечивающий редактируемую модель данных для единичной таблицы базы данных
QSqlQueryModel	Класс, обеспечивающий модель данных доступную только для чтения из набора SQL комманд
QWidget	Класс, являющийся базовым для всех объектов пользовательского интерфейса
QSqlQuery	Класс, обеспечивающий представление выполнения и управления SQL выражений
QSqlRecord	Класс, инкапсулирующий запись из базы данных
QTableView	Класс, обеспечивающий стандартную модель/представление информации просмотра таблицы
QModelIndex	Класс, используемый для обнаружения информации в модели данных
QItemDelegate	Класс, обеспечивающий возможность отображения и редактирования для объектов данных из модели
QLineEdit	Класс виджета - однострочный текстовый редактор
QStringList	Класс, предусматривающий использование массива строк
QTime	Класс, обеспечивающий функции счета времени
QTableWidget	Класс, обеспечивающий просмотр объектно-основанной таблицы со стандартной моделью
QDateTime	Класс, предоставляющий функции для работы с временем и датой
QString	Класс, обеспечивающий создание строки символов в кодировке Unicode

Рисунок 16 - Диаграмма компонентов

2.6 Диаграмма развертывания

Диаграмма развертывания в UML моделирует физическое развертывание артефактов на узлах. Диаграмма развертывания представлена на рисунке 17. Она состоит из рабочей станции и сервера БД. В свою очередь рабочая станция включает в себя компонент «АИС ГСРГ» (автоматизированная информационная система генерации семестровых рабочих графиков), операционную систему «Linux». Сервер БД включает в себя СУБД PostgreSQL, OC Linux и файл базы данных database.

Рисунок 17 - Диаграмма развертывания

2.7 Программа и методика испытаний

Объектом испытания является разработанная АИС генерации семестровых рабочих графиков.

Цель испытаний - проверка работоспособности основных функций информационной системы, а именно:

1) авторизация пользователей;

2) ведение оперативной информации;

3) формирование семестровых учебных графиков.

Состав и порядок испытаний:

1) запустить информационную систему;

2) в главном окне программы ввести логин, пароль и нажать на кнопку «Войти»;

3) в открывшемся окне работы Студента нажать кнопку «Пройти тест»;

4) в открывшейся форме выставить оценки, нажать кнопку «Далее»;

5) повторить действие 4 до того момента, как кнопка «Завершить станет активной»;

6) нажать кнопку «Завершить»;

7) система выведет на экран форму «Результаты опроса»;

8) нажать кнопку «Завершить»;

9) система выведет на экран главное окно работы Студента;

10) нажать кнопку «Просмотр оптимизированных графиков»;

11) система откроет окно «Оптимизированные семестровые рабочие графики»;

12) нажать на кнопку «Назад»;

13) система выведет на экран главное окно работы Студента;

14) нажать кнопку «Выход»;

15) система вернет форму авторизации;

16) в открывшемся окне программы нажать на кнопку (Х) (закрытие приложения и выход в операционную систему).

2.8 Контрольный пример

Для соответствия требованиям к программному обеспечению, был выбран язык программирования C++ с использованием фреймворка Qt.

Программное обеспечение реализовано в виде приложений для операционной системы Linux Xubuntu.

В данной программе разработано разграничение прав доступа, поэтому пользоваться системой имеет право Администратор, Студент и Декан.

После запуска программы появляется окно авторизации с полями "Логин" и "Пароль" (рисунок 18).

Рисунок 18 - Окно входа в АИС генерации семестровых рабочих графиков

При неправильном вводе полей "Логин" или "Пароль" система выдает ошибку (рисунок 19).

Рисунок 19 - Ошибка при неправильном логине или пароле

Рассмотрим работу программы с правами доступа «Администратор». При правильной авторизации после нажатия кнопки «Вход» открывается главное окно работы Администратора (рисунок 20).

Рисунок 20 - Главное окно работы Администратора

При нажатии кнопки «Редактировать справочник пользователей» открывается главное окно «Редактирования справочника пользователей» (рисунок 21).

Рисунок 21 - Окно редактирования справочника пользователей

При нажатии кнопки «Добавить пользователя» система выдает форму добавления нового пользователя (рисунок 22), с полями ввода «ФИО», «Логин», «Пароль», а также «Должность», «Курс» и «Группа», с подключенными выпадающими списками. Администратор заполняет необходимые поля и нажимает кнопку «ОК». После чего система закрывает окно добавления польз...