Software & Systems

Разработка учебно-методических комплексов (УМК) – одна из наиболее сложных и трудоемких в учебном процессе задач. Для ее решения в Стерлитамакском филиале Уфимского государственного нефтяного технического университета разработана клиент-серверная CASE-система для автоматизации процессов обучения, тестирования и аттестации (Свид. о гос. регистр. прогр. для ЭВМ № 2009611933 и № 2009611934). Отличительной особенностью CASE-системы является принципиально новая реализация механизма тестирования на основе многомерного логического регулятора (МЛР) с переменными в виде совокупности аргументов двузначной логики [1] и минимизированным временем отклика.

Структура и принцип работы серверного приложения

Серверное приложение CASE-системы предназначено для разработки структуры УМК и аттестационных тестовых заданий по различным учебным дисциплинам, для организации локального и удаленного тестирования, регистрации пользователей и групп, настройки прав доступа и генерирования сводных отчетов.

В состав серверного приложения входят редактор структуры, редактор тестов и модуль администрирования.

Редактор структуры предназначен для создания и редактирования структуры УМК, содержащей лекции, методические пособия, справочники, указания к выполнению лабораторных и практических работ, тесты и прочее в удобном для пользователей формате.

Принцип работы редактора структуры основан на создании и редактировании проектных файлов, содержащих информацию о порядке расположения узлов и подузлов структуры и их параметры.

Узел структуры в редакторе CASE-системы – это конкретная директория, которая должна быть расположена на клиентском компьютере, а под- узел – конкретный файл, который может быть расположен как на клиентском компьютере (например, файл, содержащий лекции, методические пособия, задания для практических и лабораторных работ), так и на сервере (например, файл, содержащий тест).

Главной особенностью редактора является графическое представление структуры УМК в виде интуитивно-понятной схемы (рис. 1).

Графические настройки редактора позволяют масштабировать дерево структуры внутри рабочей области, задействовать эффект анимации и трехмерного представления фигур, выбирать форму и цвет фигур для отдельных элементов структуры. Кроме того, для защиты приватной информации, такой как IP-адрес сервера, в редакторе структуры предусмотрен встроенный алгоритм шифрования параметров.

Редактор тестов CASE-системы предназначен для создания и редактирования тестов по различным учебным дисциплинам. Редактор поддерживает создание вопросов следующих типов:

· 1 из N – наиболее распространенный тип вопросов, когда предлагается выбрать один вариант ответа из нескольких предложенных;

· M из N – тип вопросов, в которых в отличие от типа 1 из N предлагается выбрать несколько вариантов ответа;

· открытый вопрос – ответы на него предлагается ввести с клавиатуры в специальное поле ввода;

· вопрос на соответствие – в качестве ответа предлагается установить соответствие между двумя столбцами значений (левым и правым);

· хронологический вопрос – предлагается упорядочить (расположить в определенном порядке) список ответов.

Кроме того, редактор позволяет определить максимальное количество времени, необходимое для ответа как на отдельный вопрос, так и на тест в целом.

Модуль администрирования предназначен для регистрации пользователей и групп, настройки их прав доступа к материалам УМК, составления списка учебных дисциплин и генерирования отчетов о результатах обучения пользователей.

Редактор отчетов, встроенный в модуль администрирования, позволяет создавать различные виды отчетов на основе шаблонов, разработанных в формате файлов Microsoft Excel.

Необходимо отметить, что серверное приложение CASE-системы – это один исполнительный файл, предназначенный для работы в среде Microsoft Windows 2000 и выше, для корректной работы которого не требуется установка дополнительных программ, утилит и драйверов. Данное приложение является самодостаточным, несмотря на довольно небольшой для системы подобного уровня размер – 842 Кб.

Принцип работы клиентского приложения

Клиентское приложение CASE-системы представляет собой открытый электронный учебник с возможностью подключения к серверному приложению для проведения тестирования, для загрузки обновлений, а также получения информации о результатах деятельности пользователей. Приложение-клиент не содержит учебных материалов и предназначено только для работы с файлами, входящими в состав структуры УМК, создаваемой в редакторе структуры серверного приложения.

Принцип работы приложения-клиента CASE-системы основан на работе с локальными и удаленными файлами, входящими в состав структуры УМК, а также с таблицами БД сервера.

Локальные материалы учебных дисциплин (лекции, задания для практических и лабораторных работ, методические пособия) располагаются на клиентском компьютере, и для доступа к ним нет необходимости в подключении к серверному приложению. Локальные материалы представляют собой файлы, входящие в состав структуры конкретной учебной дисциплины, в удобном для пользователей формате.

Удаленные материалы учебных дисциплин – это файлы таблиц тестов, расположенные на сервере, для доступа к ним необходимо подключение к серверу, которое устанавливается автоматически при выборе учебной дисциплины.

МЛР с четкими термами в структуре CASE-системы

Необходимость минимизации времени отклика серверного приложения CASE-системы обусловлена ограниченным временем ответов как на отдельные вопросы, так и на тест в целом, а также обработкой достаточного большого количества SQL-запросов от клиентских приложений CASE-системы во время тестирования группы пользователей.

Замена системы типовых продукционных правил (ТПР) на МЛР, представляющий собой основу механизма тестирования CASE-системы, позволила не только минимизировать время отклика серверного приложения, но и производить гибкую оценку ответов пользователей.

Минимизация времени отклика серверного приложения CASE-системы достигается за счет того, что в МЛР блок логического вывода представлен в виде системы управляющих воздействий с механизмом формирования идентификационных номеров продукционных правил [2], что позволяет в каждом цикле сканирования определить только истинное правило, антецедент которого равен логической единице, а не обрабатывать ТПР целиком. Данное утверждение также опирается на тот факт, что любая переменная в каждый момент t может иметь одно и только одно четкое значение, находящееся внутри отрезка универсальной числовой оси, покрываемого соответствующим четким термом, значение которого в рассматриваемый момент равно логической единице.

Кроме того, используемый в МЛР STEP-TIME алгоритм фаззификации [1, 2] позволяет более чем в два раза сократить число операций сравнения и тем самым снизить нагрузку на вычислительный процессор.

На рисунке 2 представлена упрощенная структурная схема МЛР с n входными и k выходными переменными X и Z соответственно, а на рисунке 3 – упрощенная структурная схема механизма оценки серверного приложения CASE-системы, основанного на МЛР. Входные переменные ответ на вопрос № 1÷ответ на вопрос № n представляют собой совокупность ответов на вопросы 1÷n, где n – количество вопросов в тесте, четкие термы которых обозначают варианты ответов; выходная переменная оценка за тест – это итоговая оценка за тест в целом.

Кроме того, в редакторе тестов CASE-системы для вопросов типа 1 из N возможны разные варианты ответов для оценки разным числом баллов, что позволяет адекватно оценивать ответы, наиболее близкие к правильным. Для вопросов типов M из N, открытый вопрос, вопрос на соответствие, хронологический вопрос также имеется возможность гибкой оценки отдельных ответов из всей совокупности вариантов.

Проведем вычислительный эксперимент и количественную оценку минимизации времени, необходимого для обработки результатов серверным приложением, при использовании МЛР вместо ТПР в качестве основы для механизма тестирования CASE-системы. В таблице показано распределение максимального числа продукционных правил R ТПР и МЛР в зависимости от суммарного числа четких термов K, где X1, X2 и Z1, Z2 – входные и выходные переменные МЛР соответственно.

Разница между максимальным числом продукционных правил R МЛР и ТПР рассчитывается следующим образом: DR=RТПР–RМЛР.

Процент сокращения максимального числа продукционных правил МЛР ΔR можно вычислить так: .

График зависимости максимального числа продукционных правил R от количества вопросов Q в тесте серверного приложения CASE-системы при использовании ТПР и МЛР представлен на рисунке 4 (вопросы в тесте имеют в среднем по 4 варианта ответов).

Таким образом, использование МЛР в качестве основы для механизма тестирования CASE-системы для автоматизации процессов обучения, тестирования и аттестации позволило сократить максимальное число продукционных правил и, как следствие, повысить быстродействие серверного и клиентского приложений в среднем на 47 %.

Литература

1. Муравьева Е.А., Антипин А.Ф. Многомерный дискретно-логический регулятор расхода воздуха парового котла с минимизацией времени отклика // Вестн. УГАТУ. Сер. Управление, вычислительная техника и информатика. 2009. Т. 13. № 2 (35). С. 83–87.

2. Антипин А.Ф. Сравнительный анализ быстродействия дискретно-логического регулятора // Программные продукты и системы. 2010. № 1 (89). С. 75–77.