Software & Systems

В мировой программной индустрии создание компьютерных систем по мере возрастания их сложности сопровождается ростом трудоемкости конструирования. Программные приложения имеют чрезвычайно много разновидностей, и каждая предметная область предопределяет особые проблемы, отличающиеся собственным уровнем сложности.

Электронные средства обучения, представленные разнообразными типами компьютерных обучающих систем (КОС), являются важнейшими составляющими компьютерных технологий в сфере образования. Тенденцией настоящего времени является повышение требований к качеству и эффективности КОС, сокращению сроков разработки и трудозатрат. Программные средства для учебного процесса обладают уникальными свойствами, отличающими их от любых других продуктов. В то же время их возрастающая функциональность требует развития специальных методов проектирования, которые позволят снизить стоимость проектов и повысить их эффективность.

Проблема снижения общей стоимости проектов КОС и сокращение времени на их разработку и тестирование отражает тенденцию в програм- мной индустрии: снижение зависимости разрабатываемой системы от изменяющихся требований и обеспечение ее гибкости для внесения изменений за счет совершенствования проектных решений. Решение этой проблемы было осуществлено в ряде проектов КОС с использованием современных систем автоматизированного проектирования на основе объектно-ориентированных технологий и применения образцов проектирования − проектных паттернов [1].

В статье рассматривается техническое решение построения архитектуры КОС с использованием идентифицированного проектного образца.

Повторное использование элементов проекта

Проектные образцы появились из идей, выдвинутых Кристофером Александером [2], который предложил эффективные обобщенные паттерны разработки конкретных проектов в строительстве и архитектуре, а впоследствии обосновал применение паттернов для всех этапов разработки абстрактных систем: анализа, проектирования и реализации. Он ввел следующее определение паттерна: «Каждый шаблон представляет собой правило, состоящее из трех составляющих, которые выражают отношения контекста, проблемы и решения».

Разработку архитектуры КОС следует рассматривать как предварительное условие конструирования, поскольку качество архитектуры определяет концептуальную целостность системы и, соответственно, итоговое качество. Хорошая программная система, наряду с выполнением возложенных на нее функций, демонстрирует гармоничный и сбалансированный проект, благодаря которому она легко поддается модификации. Поскольку архитектура создается на ранних стадиях жизненного цикла продукта, от ее качества зависит и результат всех последующих этапов: разработки системы, интеграции, тестирования и модификации.

Следует подчеркнуть возрастающую роль паттернов как архитектурных сущностей в связи с новыми тенденциями в разработке программного обеспечения, в частности, переноса акцента с написания кода на моделирование. С этой инициативой в 2001 г. выступил международный консорциум OMG, предложив идею модульно-управляемой архитектуры (Model Driven Architecture –MDA) [3]. MDA является частью более крупной тенденции в индустрии программного обеспечения к наслаиванию дополнительных уровней абстракции над используемыми аппаратными средствами, декларирующей следующее:

·     языки высокого уровня заменяют языки ассемблера;

·     библиотеки и каркасы заменяют изолированные сегменты кода, облегчая повторное использование;

·     паттерны проектирования заменяют код, специфичный для отдельного проекта.

Эта тенденция отражает возрастающую роль моделей для достижения конечной цели процесса разработки программного обеспечения − работающего кода программы.

Для разработки линейки программных продуктов, предназначенных для образовательной сферы и реализующих передачу знаний, умений и навыков, был создан пакет адаптивных и расширяемых визуальных моделей с использованием универсального языка моделирования UML и CASE-средства IBM Rational Rose. Модели обобщены архитектурными и процедурными представлениями [1]. Логическое представление отразило декомпозицию системы в набор логических элементов (классов, подсистем, пакетов и взаимодействий), а процедурное представление отразило эти элементы в процессы и подпроцессы (потоки) системы. Составляющие модули интегрированной КОС представлены на рисунке 1.

Системный анализ наиболее продуктивных проектов КОС, которые были созданы с участием авторов и реализованы в образовательной сфере, позволил идентифицировать ряд проектных образцов, повторное применение которых в последующих проектах способствовало более быстрому конструированию моделей и уменьшению зависимости от изменяющихся требований.

Для модулей КОС, предназначенных для тренажа и контроля знаний студентов по различным сценариям тестирования, в программную систему был включен генератор контрольных и учебно-тренировочных заданий. Алгоритмы генерации наборов учебно-тренировочных и контрольных заданий концептуально решают одну и ту же задачу, но различаются между собой способом ее решения, поэтому актуально использование механизма определения семейства алгоритмов, инкапсуляции каждого из них и взаимозаменяемости любого алгоритма.

Для идентификации алгоритмов генерации заданий, а также обработки изменений в алгоритмах целесообразно применение поведенческого паттерна, который позволит менять выбранный алгоритм независимо от объектов-клиентов, его использующих. В результате анализа общности и изменчивости как первичного инструмента выделения объектов получено концептуальное решение (общность) и подготовлено решение на уровне реализации для идентификации проектного образца Стратегия [2] в модулях КОС «Компьютерный тест» и «Компьютерный тренажер».

На рисунке 2 представлена схема реализации в проектной модели КОС проектного образца Стратегия в модуле «Компьютерный тест».

Включение данного проектного образца в модель позволяет упростить добавление новых алгоритмов генерации набора заданий (вопросов) для теста и тренажера и отделить процедуру выбора алгоритма от его реализации. При этом класс «Стратегия генерации» определяет, как будут использоваться алгоритмы генерации заданий, класс «Контекст» использует конкретные алгоритмы посредством ссылки на тип абстрактного класса «Стратегия генерации», классы «Стратегия генерации» и «Контекст» взаимодействуют с целью реализации выбранного алгоритма генерации набора заданий.

Применение проектного образца Стратегия в модулях КОС позволяет отказаться от использования переключателей и/или условных выражений, которые заметно усложняют стойкость систем к изменению требований за счет инкапсуляции каждого поведения в отдельный класс Стратегия. Следует также отметить, что решение проблемы в контексте выявленного образца проектирования при разработке КОС не только упрощает дизайн будущей системы, но и оптимизирует программный код.

С целью упрощения ввода новых алгоритмов генерации заданий для модулей тестирования и тренажа поставлена и решена задача включения в архитектуру КОС проектного образца Стратегия, который применен как способ реализации семейства алгоритмов, выполняющих концептуально одну и ту же задачу, но различающихся между собой технологией ее решения.

Список литературы

1.   Софиев А.Э., Черткова Е.А. Компьютерные обучающие системы. – М.: Изд-во ДеЛи, 2006. – 296 с.

2.   Гамма Э., Хелм Р., Джонсон Д., Влиссидес Дж. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. / Пер. с англ. – СПб: Питер, 2006. – 366 с.

3.   Common Warehouse Metamodel (CWM) Specification. OMG Documents, Feb. 2001. (http://www.omg.org/cgi-bin/apps/doc?formal/03-03-02.pdf).

4.   Фаулер М. Архитектура корпоративных программных приложений. / Пер. с англ. – М.: Изд. дом «Вильямс», 2004.