Виртуальные лаборатории и тренажеры.
Информационная модель виртуальной лаборатории. Сценарии виртуальной лаборатории. Состав виртуальной лаборатории. Виртуальный стенд лаборатории. Проверяющий сервер лаборатории Алгоритмы оценки ответов пользователя на задания виртуальной лаборатории. Технологии разработки.
Информационная модель виртуальной лаборатории 1
Сценарии виртуальной лаборатории 1
Состав виртуальной лаборатории 1
Виртуальный стенд лаборатории 4
Проверяющий сервер лаборатории 4
Алгоритмы оценки ответов пользователя на задания виртуальной лаборатории 5
Технологии разработки 7
Информационная модель виртуальной лаборатории
В системе дистанционного обучения AcademicNT, разработанной в (СПбГУ ИТМО), определено два типа элементов, которые могут использоваться как для обуче-ния, так и для аттестации с проверкой ответов в автоматическом режиме: электронные тесты и виртуальные лабораторные работы [1–3]. Электронные тесты состоят из ин-формационных кадров и заданий. Множество правильных ответов каждого тестового задания является разрешимым, т.е. задача определения принадлежности ответа данно-му множеству является алгоритмически разрешимой. К подобным заданиям относятся все известные формы тестовых заданий – открытой формы, закрытой формы, на уста-новление правильной последовательности и на установление соответствия [4]. Из пере-численных форм самой сложной является открытая форма. Эта форма требует тща-тельного согласования формулировки задания с возможностями, разрабатываемого ав-тором, анализатора ответа. В большинстве случаев анализатор ответов строится на ос-нове регулярных выражений [5], ограничения которых хорошо известны [6]. Поэтому задача проверки заданий даже со счетным множеством, имеющим достаточно большое количество элементов, становится трудоемкой. Примерами подобных заданий могут служить:
• разработка электронной схемы, осуществляющей выделение амплитуды гармониче-ского сигнала;
• построение механической системы, осуществляющей преобразование поступатель-ного движения во вращательное;
• написание компьютерной программы, которая реализует заданный алгоритм.
В случае, когда множество правильных ответов на задание является бесконечным или неразрешимым, можно использовать элемент системы, который называется «Вир-туальная лаборатория». В виртуальных лабораторных работах правильный ответ зада-ется множеством прецедентов «вход–выход». Ответ на каждое задание рассматривается как система, которая имеет вход и выход. На вход системы подается эталонный вход-ной сигнал, снимается выходной сигнал, который сверяется с эталонным выходным сигналом. Если выходной сигнал совпадает с эталонным выходным сигналом с задан-ной точностью, то ответ признается верным.
Сценарии виртуальной лаборатории
Состав виртуальной лаборатории
Программные средства имитационного моделирования
Программные средства проверки результатов работы студента
Аппаратные средства центров удаленного доступа
Виртуальная лаборатория является модулем системы дистанционного обучения. В общем случае виртуальная лаборатория представляет собой некую информационную среду, позволяющую проводить эксперименты без непосредственного доступа к объекту исследования. При этом эксперименты могут проводиться как с использованием математических моделей, так и с использованием удаленного доступа к изучаемому объекту [1].
Виртуальная лаборатория предоставляет возможность произвольной оценки производимых учеником действий, а также построения автором собственного алгоритма анализа результатов. Результатом выполнения работы может быть любая структура (схема, программа, набор чисел), которая в виде строки передается на сервер дистанционного обучения, а затем на сервер удаленного доступа, где автор размещает свой анализатор результата. Полученный отчет проверяется в автоматическом режиме. В частном случае результатом выполнения лабораторной работы может быть формальное описание какой-либо системы, которая оценивается по реакциям на эталонные воздействия [2].
Пакет виртуального лабораторного комплекса должен содержать в себе zip-архив с откомпилированными class-файлами java-апплета виртуального стенда и проверяющего сервера, а также описания сценария лабораторной работы, заданий к ней, и описания лабораторного стенда [3].
Основным форматом для представления виртуальной лаборатории является язык XML. Были разработаны правила оформления XML-файлов, которые задаются при помощи Document Type Definition или DTD-описаний. При погружении в систему информации программа-анализатор автоматически проверяет правильность вводимой информации, основываясь на DTD-описаниях. В поставляемый пакет лабораторного комплекса входят три вида XML-файлов: сценарий лабораторной работы, описание заданий лабораторной работы и описание виртуальной лабораторной установки. Иерархия отношений этих описаний представлена на рис. 2.
Сценарий лабораторной работы включает в себя ряд заданий для выполнения, шкалу для оценивания результатов, которая будет использоваться при выставлении оценки, признак режима аттестации.
Задания лабораторной работы содержат группы тест-наборов для проверки результатов с указанием входных и ожидаемых выходных данных, указатель на виртуальную лабораторную установку и адрес сервера удаленного доступа, на котором расположен интерпретатор, анализирующий результат выполнения лабораторной работы.
Описание виртуальной лабораторной установки состоит из набора атрибутов для отображения, таких как высота и ширина апплета, а так же содержит адрес архива установки.
206
Рис. 2. Структура лабораторной работы
Кроме того, в приведенных XML-документах автор лабораторной работы задает ряд настраиваемых параметров, которые в дальнейшем будут учитываться в учебном процессе. К ним относятся:
правила оценивания результатов выполнения лабораторной работы;
ограничение по времени на выполнение задания студентом;
режим выполнения;
группы тест-наборов для проверки результатов;
коэффициент сложности каждого тест-набора;
число тест-наборов из группы, используемых для проверки;
ограничение по времени на проверку тест-набора.
Необходимо отметить, что на разных уровнях структуры лабораторной работы настраиваемые параметры могут повторяться. Для избежания конфликта были сформулированы следующие положения: для числовых значений используются величины, указанные на нижних уровнях иерархии, а ограничивающие правила имеют больший приоритет на верхних уровнях.
В состав виртуальной лаборатории могут быть включены GIF-анимации и интерактивные FLASH-анимации. Авторский стиль лабораторной работы оформляется в соответствии со стандартом CSS. Для повышения уровня интерактивности виртуальной лаборатории допускается использование скриптов, написанных на языке JavaScript.
При разработке программного инструментария автор должен руководствоваться рядом правил, которые были выбраны для организации совместимости виртуального стенда и среды дистанционного обучения. Например, математическая модель лабораторной установки выполняется на языке Java 2 в режиме апплета. Базовым для классов, определяющих специфику той или иной лабораторной работы, должен быть класс Base. Он расширяет класс Applet. В классе Base должен быть объявлен один абстрактный метод get Re suits (), который необходимо переопределить в каждом классе-потомке класса Base. Этот метод возвращает данные лабораторной работы в виде строки. Формат строк произвольный, выбирается автором. При обработке результата эта строка будет инкапсулирована в протокол RLCP.
Каждая виртуальная лабораторная работа представляет собой обучающий комплекс, содержащий несколько компонентов:
207
краткое описание и анализ теоретических аспектов изучаемого объекта, явления
или процесса;
описание приборов и оборудования, используемых для проведения исследований,
их характеристики и порядок применения;
виртуальный лабораторный стенд, который позволяет проводить исследование изу
чаемого объекта, явления или процесса по индивидуальной программе, обработку
результатов и представление отчета.
Виртуальный стенд лаборатории
Интерфейс аплета виртуального лабораторного стенда как ключевой элемент че-ловеко-машинного взаимодействия можно мысленно разделить на три основных части:
• область управления;
• область определения начальных условий;
• графическое представление установки.
Все компоненты виртуальной лаборатории размещаются в рамках одной страницы. На рис. 3 изображен пример лабораторной работы. В нижней части экрана расположен так называемый апплет-менеджер. Его роль состоит в осуществлении связи пользовательского интерфейса лабораторной работы с сервером дистанционного обучения. Визуально он состоит из полосы оставшегося времени и кнопки «Ответ готов». После нажатия на эту кнопку апплет-менеджер обращается к методу get Re suits (), забирает ответ студента, оформленный в виде строки, и передает на дальнейшую обработку.
Рис. З. Интерфейс лабораторной работы «Машина Поста»
Проверяющий сервер лаборатории
Протокол управления лабораторией RLCP базируется на протоколе TCP. Взаимодействие происходит по следующей схеме: сначала устанавливается TCP-соединение с сервером, потом передается запрос клиента, далее сервер проверки возвращает ответ, после чего происходит разрыв соединения.
Запрос клиента генерируется процедурой базы данных и содержит следующие компоненты:
строка состояния,
поля заголовка,
пустая строка,
тело запроса.
Строка состояния является обязательной, в ней указывается метод проверки ответа на проверяющем сервере. В системе предусмотрено два метода: вычислить и проверить.
Необходимо отметить, что входных и ожидаемых выходных наборов может быть несколько. Их формат задается автором. Ответ сервера состоит из:
строки состояния,
поля заголовка,
пустой строки,
тела ответа.
В строке состояния указывается трехзначный код ответа, несущий информацию об успешной обработке запроса или возникших ошибках.
Поля заголовка содержат информацию о размере тела ответа (в случае успешной обработки запроса) или указывают на реальное расположение поверяющего сервера для перенаправления запроса. Тело запроса оформляется в соответствии с DTD-определением и содержит тестовые наборы, направленные на проверку результата, а также результат обработки каждого тестового набора. На основании этих данных рассчитывается оценка за выполнение в соответствии с правилами оценивания сценария, которая заносится в базу данных.
Алгоритмы оценки ответов пользователя на задания виртуальной лаборатории
Программный инструментарий виртуальных лабораторий хранится в базе данных системы дистанционного обучения. Пользователи системы получают доступ к вирту-альным лабораторным работам в соответствии с регламентом, установленным в систе-ме. Доступом к системе управляет Web-сервер на основе информации, хранящейся в базе данных. Проверка результатов лабораторных работ осуществляется автономными серверами, на которых установлено специальное программное обеспечение. Модули, обеспечивающие функционирование виртуальных лабораторий, показаны на рис. 1.
Рис. 1 Общая схема доступа к виртуальным лабораториям
Рис. 2. Схема проверки ответа
На рис. 2 показана последовательность, которая выполняется во время проверки ответа. Ответ клиента – пользователя системы поступает на Web-сервер системы, кото-рый фиксирует его в базе данных, получает из базы данных прецеденты «вход–выход» и вместе с ответом передает их на проверяющий сервер данной лаборатории. После по-лучения ответа от проверяющего сервера инициализируется алгоритм вычисления оценки.
В основе алгоритма проверки результатов лежит теория системного анализа. Схема проверки представлена на рис. 6. Здесь система 1 - эталонная система, на вход которой подаются проверяющие наборы и, а на выходе получаются всегда верные наборы у. Система 2 - программа-ответ студента. На ее вход подаются те же самые проверяющие наборы и, что и для системы 1, и выходные значения у* сравниваются с эталонными. На основании анализа отклонения результата от эталона и принятой автором системы оценивания в базе данных фиксируется полученная оценка. Такой подход позволяет использовать задания, результатом выполнения которых может быть бесконечный дискретный набор данных, например, написание программ, сборка схем.
Рис. 6. Схема проверки результата
Технологии разработки
Осипов А.В. Мультимедиа в образовании: Контекст информатизации. – М.: Агентство "Издательский сервис", 2004. – С. 25-58.
Агапонов С. В. и др. Средства дистанционного обучения: Методика, технология, инструментарий / Под ред. Джалиашвили З.О. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003. – C.117-145, 167-229. |
