Обобщенная архитектура обучающих систем.

Лекция 11.

Архитектура - это организационная структура системы, определяющая разбиение системы на части, связи между этими час­тями, механизмы взаимодействия и основные руководящие принципы для проектирования системы.

Архитектура - это множество значимых решений относительно принципов построения программной системы. В архитектуру входят:

• выбор структурных элементов и интерфейсов, с помощью которых они связаны между собой;

• крупномасштабная организация структурных элементов и определение топологии их связей;

• поведение, описываемое кооперацией этих элементов;

• важные механизмы, доступные во всей системе;

• архитектурный стиль, который управляет организацией элементов системы.

Например, решение создавать программный продукт в виде системы, имеющей два уровня, каждый из которых содержит свои подсистемы, определенным образом сообщающиеся между собой, относится к архитектуре.

Архитектура программной системы затрагивает не только поведение и структуру системы, но также ее использование, функциональность, производительность, устойчивость, возможность повторного применения, способность к восстановлению функций, экономические и технические ограничения.

Архитектура разрабатываемой системы является фундаментом, на котором будет базироваться система, и потому нужно сосредоточить на ней все усилия команды проекта, чтобы придать форму системе.

Архитектура в первую очередь определяется терминами представления моделей системы. Эти представления отражают архитектурно значимые элементы моделей; а все представления вместе взятые образуют архитектурное описание. Команда проекта создает архитектурное описание на ранних стадиях разработки, а затем в ходе всех видов деятельности, связанных с проектом, расширяет и совершенствует его.

Архитектурой программной системыназывается спецификация ее сопряжения с пользователями и внутренних компонентов системы между собой. Архитектура отражает состав основных программных и информационных компонентов системы, а также их связи друг с другом, пользователями и внешними про­граммными системами. Вычленение программных компонентов (модулей) производится по функциональному принципу. Информационные компоненты (массивы, блоки, файлы, фрагменты базы данных и т.д.) выделяются на основании их назначения, использования, форматов представления данных, способов доступа и других признаков.

Схема обобщенной архитектуры ИОС показана на рис. 1. В конкретных реализациях некоторые ее составляющие могут отсутствовать. Обязательные компоненты, образующие «минимальную» конфигурацию ИОС, помечены звездочками. В рассматриваемой схеме применены следующие вновь вводимые сокращения:

• МОРУМ — модуль обеспечения работы с учебным материалом;

• МПУМ — модуль поиска учебного материала;

• МОРУТЗ — модуль обеспечения работы с УТЗ;

• МГУТЗ — модуль генерации УТЗ;

• МУУП — модуль управления учебным процессом;

• МРИО — модуль регистрации и идентификации обучаемых;

• МПМОП — модуль представления моделей обучаемых и протоколов их работы;

• ИАП — интерфейс с АРМ преподавателя (инструктора);

• ОТеК — описание текущей конфигурации КУ (КОС).

Информационные компоненты ИОС подразделяются на три класса:

1) информационные компоненты, входящие в ИОС;

2) информационные компоненты для настройки ИОС;

3) информационные компоненты, формируемые ИОС и отражающие результаты работы обучаемых.

Информационные компоненты, входящие в ИОС, в свою очередь, разбиваются на две группы. Первая включает компоненты, содержание которых ассоциируется с изучаемым предметом. К ней относятся различные составляющие учебного материала и множество УТЗ. Вторая группа объединяет компоненты, связанные в содержательном плане с ИОС как с программным средством.

Учебный материал и УТЗ могут включать ссылки на информационные и программные объекты. Структурные единицы учебного материала могут ссылаться на УТЗ и внешние КСО, УТЗ — на структурные единицы учебного материала, а также на внешние КСО или внешние программные модули (например, обеспечивающие моделирование изучаемых сущностей).

Необходимо отметить, что понятие УТЗ здесь и далее употребляется в собирательном смысле в качестве общего наименования заданий для закрепления и контроля знаний. Эти задания могут иметь форму вопросов, задач, упражнений и др.

Отметим также двойственную интерпретацию понятия «содержание» в контексте ИОС. С одной стороны, содержание ассоциируется с информацией предметного характера, т.е. непосредственно с учебным материалом и УТЗ. С другой стороны, содержание трактуется как оглавление, перечень структурных единиц учебного материала. Во избежание путаницы для обозначения второй интерпретации используем словосочетание «блок содержания».

Рис. 1.Схема обобщенной архитектуры ИОС

В ОС реализуются четыре основных способа доступа к учебному материалу:

• через блок содержания, элементы которого ссылаются на соответствующие структурные единицы учебного материала, и средства навигации;

• через указатели (предметные, именные и др.), словарь (глоссарий), тезаурус и подобные компоненты, содержащие ссылки на структурные единицы учебного материала;

• с помощью средств поиска учебного материала (МПУМ);

• через определяемые пользователем закладки, ассоциируемые со структурными единицами учебного материала.

МПУМ обеспечивает либо полнотекстовый поиск, либо поиск по ключевым словам. Во втором случае подразумевается, что учебный материал проиндексирован.

Блок идентификациипредставляет собой аналог титульного листа книги и выступает в качестве своеобразного паспорта ИОС. Он содержит название, краткое описание его назначения и применения, сведения о разработчиках, распространителях, авторских правах и др.

Второй класс информационных компонентов ИОС включает профили обучаемых, ОТеК и ЭИЗО.

Под профилемпонимается описание параметров пользователя, влияющих на настройку системы. В профиле обычно хранятся: идентификационные данные обучаемого; сделанные им заметки и закладки; «история» работы обучаемого с системой (в общем случае — запись его действий: введенных команд, сформированных поисковых запросов, траектории навигации по учебному материалу и т.д.), описание настройки ПИ и др.

ОТеК отражает текущую системную конфигурациюИОС, т.е. настройку программного средства на применение в конкретных программно-технических и организационных условиях. ОТеК, фиксирующее типовую конфигурацию, действующую по умолчанию, как правило, входит в дистрибутив ИОС и устанавливается на компьютер программой его инсталляции. При использовании ИОС в учебном заведении изменения в ОТеК вносятся системными администраторами.

К третьему классу информационных компонентов относятся модели обучаемых и протоколы их работы с ОС.

В протоколахпредставляются данные, отражающие взаимодействие обучаемых с УМ и результаты выполнения ими контрольных мероприятий. Процесс работы с учебным материалом характеризуется временем, затраченным на изучение составляющих его разделов и тем, числом обращений к справочным базам (словарю, глоссарию и т.д.), количеством возвратов к пройденному материалу и др.

Модель обучаемогоописывает текущее состояние его знаний по данному предмету и индивидуальные особенности, важные с точки зрения учебного процесса. По сравнению с протоколом она является более глубокой и семантически выразительной формой представления сведений о ходе и результатах работы обучаемого с ОС. Если в протоколе содержатся объективные данные, фиксируемые системой в процессе взаимодействия с пользователем, то в модели обучаемого отражаются результаты их обобщения и интерпретации, а также выводы, сформированные на их основе. Наличие модели обучаемого свойственно интеллектуальным ОС. В таких средствах она сопоставляется с целевой моделью представления ПО, между ними выявляются различия, исходя из которых определяется характер управления учебным процессом.

Рассмотрим назначение выделенных программных компонентов архитектуры ИОС.

Взаимодействие пользователя с учебным материалом осуществляется с помощью МОРУМ. Основные функции данного модуля:

• доступ к структурным единицам учебного материала через блок содержания, указатели, словарь (глоссарий), тезаурус;

• выбор текущего фрагмента учебного материала и передача его для представления (отображения) модулю ПИ;

• выполнение сценариев представления учебного материала (воспроизведение демонстраций, презентаций и т.п.);

• моделирование изучаемых объектов и процессов и обеспечение условий для взаимодействия пользователя с этими моделями;

• выполнение переходов к структурным единицам учебного материала в соответствии с командами пользователя, передаваемыми ПИ (навигация по учебному материалу);

• вызов МОРУТЗ для выполнения УТЗ, ссылки на которые содержатся в учебном материале;

• вызов на выполнение внешних КСО, ссылки на которые содержатся в учебном материале;

• выполнение команд МУУП;

• фиксирование сведений о работе пользователя с учебным материалом, передача их МУУП и запись в протокол.

МОРУТЗ служит для поддержки выполнения УТЗ. В этом модуле реализованы следующие основные функции:

• предъявление пользователю УТЗ, выбранной из множества УТЗ или сформированной МГУТЗ;

• передача условий УТЗ для представления (отображения) модулю ПИ;

• моделирование объектов и процессов, рассматриваемых в УТЗ, и обеспечение условий для взаимодействия пользователя с этими моделями;

• обеспечение условий для поэтапного выполнения УТЗ пользователем, проверка и оценивание его действий;

• обеспечение условий для ввода результата (ответа) УТЗ, его проверка и оценивание;

• предоставление информационной помощи по запросам пользователя;

• демонстрирование эталонного выполнения УТЗ;

• вызов на выполнение внешних КСО (внешних программных модулей), ссылки на которые содержатся в УТЗ;

• вызов МОРУМ для работы с учебным материалом, на который ссылается УТЗ (по команде пользователя или автоматически при неверном выполнении УТЗ);

• выполнение команд МУУП;

• фиксирование сведений о ходе и результатах выполнения УТЗ, передача их МУУП и запись в протокол.

МГУТЗпредназначен для формирования (генерации) УТЗ по запросам МОРУТЗ. КУ и КОС, обладающие данной возможностью (т.е. содержащие МГУТЗ), называются генерирующими.В таких средствах множество УТЗ представляет собой описания шаблонов и моделей задач,служащих основой для генерации их условий.

Модуль настройкиобеспечивает настройку ИОС на конкретные условия применения, параметры пользователя и решаемые педагогические задачи. Он устанавливает системную конфигурацию ИОС и параметры ПИ, а также загружает информацию из профиля обучаемого. ЭИЗО и сведения о предыдущих сеансах работы обучаемого с УМ, выбираемые из протоколов, используются для настройки учебного материала и УТЗ на текущий уровень его подготовленности и задачи, поставленные перед ним преподавателем. Данный модуль также позволяет устанавливать и удалять закладки, переходить по ним к структурным единицам учебного материала, сохранять в профиле обучаемого сделанные им настройки и установки.

МУУПосуществляет управление прочими программными компонентами ИОС в части обеспечения эффективной реализации определенной образовательной стратегии. Его основные функции:

• прием данных, фиксируемых МОРУМ и МОРУТЗ и отражающих ход и результаты работы обучаемого с учебным материалом и УТЗ;

• формирование и корректировка на основе этих данных модели обучаемого;

• оценивание уровня знаний обучаемого;

• выработка решений по корректировке хода учебного процесса и представления учебного материала и УТЗ, а также передача соответствующих команд МОРУМ, МОРУТЗ, МГУТЗ и модулю настройки;

• передача на АРМ преподавателя (через ИАП) информации о ходе и результатах работы обучаемого;

• обеспечение доступа преподавателя к модели обучаемого и протоколам его работы;

• выполнение команд преподавателя по управлению учебным процессом, поступающих через ИАП.

МРИОиспользуется на этапе инициализации и настройки системы. Он предлагает обучаемому указать его идентификационные данные (фамилию и инициалы, номер учебной группы и т.п.). Введенная информация передается модулю настройки, который ищет соответствующие профиль, ЭИЗО и записи в протоколах. Если обучаемый работает с ОС в первый раз, то МРИО регистрирует его в протоколе, а модуль настройки создает новый профиль. Обучаемым, для которых не предусмотрены ЭИЗО, предлагается задание по умолчанию.Идентификационные данные и текущее задание обучаемого передаются МУУП.

МПМОПобеспечивает доступ обучаемого к протоколам его работы и модели, созданной МУУП. Модуль позволяет просматривать данные информационные компоненты и выводить их фрагменты на печать. В нем также могут быть реализованы функции анализа модели обучаемого и содержания протоколов, а также формирования методических рекомендаций по развитию знаний обучаемого и совершенствованию учебного процесса.

ИАПслужит для сопряжения ОС с АРМ преподавателя в ЛВС. Это сопряжение позволяет контролировать работу обучаемого и управлять учебным процессом через МУУП, не привлекая его внимания, т.е. осуществлять скрытый контроль. Другая функция ИАП — обеспечение условий для явного взаимодействия (диалога) обучаемого с преподавателем. При использовании ИОС в режиме ДО вне УЦ на ИАП может возлагаться задача отправки на сервер УЦ или сервер ДО учебного заведения протоколов работы обучаемого и приема скорректированных версий ЭИЗО.

ПИ ИОС включает две составляющие: информационную и программную. Информационнаясоставляющая воплощается в информационных компонентах первого класса и выражается описаниями схем представления и оформления их содержания и схем диалога. Программнаясоставляющая обеспечивает построение и функционирование ПИ в соответствии с данными описаниями.

Модуль ПИна схеме архитектуры ИОС ассоциируется с программной составляющей и выполняет функции, традиционные для ПИ программных систем. Основные из этих функций:

• отображение на экране информации согласно описанным схемам ее представления и оформления;

• воспроизведение аудио- и видеофрагментов, анимаций и интерактивных трехмерных представлений;

• обеспечение функционирования управляющих элементов ПИ;

• прием данных и команд, вводимых пользователем, их первичная обработка и передача другим программным компонентам ИОС;

• реализация аудио- и видеоэффектов.

Отметим три важные служебные функцииИОС, не охватываемые программными компонентами, выделенными на схеме архитектуры:

• контроль целостности программного и информационного обеспечений ИОС;

• защита от несанкционированного доступа к информационным компонентам второго и третьего классов;

• защита программного продукта от несанкционированного копирования.