Силаенков А.Н. Автоматизированные обучающие системы. Обзор
Подождите немного. Документ загружается.
манипулировании компонентами и объектами, появляются шаблоны,
которые даже эту задачу делают тривиальной. Delphi оперирует четырьмя
типами шаблонов: формами, приложениями, компонентами и кодами.
Шаблоны формы, приложения и компонента дают возможность повторно
использовать созданные ранее коллекции объектов либо в отдельных
программах, либо в качестве основы для новой программы. Шаблон кода –
это новое средство, которое значительно уменьшает потребности во вводе
повторяющихся фрагментов кода.
У Delphi есть еще одно приятное отличие. Многие системы разработки
приложений для Windows либо вовсе не генерируют исполняемый код, либо
р-код, который не может быть выполнен процессором без дополнительной
трансляции во время работы самой программы, что существенно снижает
производительность компьютера. Преобразование графических файлов
замедляет работу процессора. Delphi же использует компилятор и
компоновщик и генерирует стопроцентный машинный код. Такая реализация
лишена непроизводительных затрат, что особенно важно для масштабных
мультимедийных программ, которые требуют наличия
высокопроизводительных систем.
Использование стопроцентной компиляции дает еще одно
преимущество, заключающееся в создании библиотек динамической
компоновки (DDL), которые могут содержать любые компоненты из
библиотеки компонентов. Затем эти библиотеки можно использовать в
собственных приложениях Delphi или распространять как независимые
компоненты для других программ.
При разработке на других языках программирования приходится
сталкиваться с необходимостью обработки ошибок и защиты ресурсов.
Прежний подход к решению этих задач состоял в выполнении функции с
последующим анализом результата. В случае получения кода успешного
завершения операции выполнялись некоторые действия и вновь
анализировался результат. Этот процесс продолжался до тех пор, пока не
исчерпывался исходный код программы. Delphi искусно справляется с
проблемой обнаружения ошибок благодаря реализации концепции
исключительных ситуаций. Вместо того чтобы работать в предположении,
что каждый шаг может привести к сбою, потенциальное выявление которого
требует соответствующего тестирования, Delphi позволяет писать
программу, исходя из успешного выполнения всех ее операторов. В случае
возникновения отказа Delphi вызывает исключительную ситуацию, которая
перехватывается одним-единственным обработчиком исключительных
ситуаций. Такой подход позволяет программе достойно справится с
ошибкой, причем от разработчика в этом случае требуются минимальные
усилия.
141
Основные этапы разработки электронных обучающих
программ
Создание любого компьютерного приложения, а особенно обучающих
мультимедиа-систем, сегодня не мыслится без тщательно продуманного
плана разработки. В настоящее время существует хорошо отработанная
методология создания компьютерных обучающих систем. Как и всякая
методология проектирования, она включает целый ряд последовательных
этапов. Каждый из них обладает определенными временными рамками,
исчисляемыми в процентах от общего времени разработки приложения.
Рассмотрим эти этапы и цели, которые на них реализуются:
1 этап: техническое предложение, сделанное на основе учебных
потребностей и целей обучения – на этом этапе подвергается анализу
ситуация с использованием компьютерных обучающих систем, сложившаяся
в образовании. В настоящее время на рынке компьютерных обучающих
систем появилось множество программных продуктов довольно высокого
качества, предназначенных для применения в процессе обучения. Они
выпускаются как отечественными, так и (в большинстве) зарубежными
производителями.
2 этап: планирование разработки, решение вопросов об установке
сроков, финансирования и составе группы разработчики – здесь
устанавливаются сроки реализации отдельных этапов разработки и всего
продукта в целом, назначается конечная дата его выпуска. В дальнейшем,
составленный график позволяет гибко реагировать на возникающие в
процессе разработки трудности, контролировать отставание или опережение,
подключать или высвобождать ресурсы и перераспределять их между
отдельными стадиями разработки.
Вопрос о финансировании проекта является одним из самых важных в
процессе создания любого программного продукта.
Состав группы разработчиков определяется, исходя из тематической
направленности разрабатываемого приложения, но в целом состав таких
групп более или менее стабилен. Сюда обязательно входят сценаристы,
психологи, дизайнеры, художники и специалисты по компьютерной
анимации, композиторы и музыканты, оцифровщики звука и
видеоизображения, артисты и звукоинженеры, фотографы и редакторы,
продюсеры и переводчики, команда контроля качества и контроля
совместимости, тестеры, юристы, координаторы, всевозможные ассистенты и
конечно программисты. Каждый из них является специалистом в своей
области и отвечает за выполнение определенного участка работ.
Группа разработки данного электронного учебника состоит из четырех
человек: руководитель и идейный вдохновитель – профессор, д.т.н. кафедры
«Компьютерных систем и технологий» МИФИ - Чуканов Всеволод
Озирисович. Программист и ответственный за непосредственную
реализацию части учебника, посвященной «Логическим основам»–
Богданова Дарья Викторовна. Ответственные за реализацию части учебника
142
по «Арифметическим основам»: Ведерникова Мария Александровна,
Василькова Екатерина Вячеславовна.
3 этап: разработка содержания курса – на этом этапе проводится
анализ учебного плана и состав слушателей, происходит определение
стратегии курса, разрабатывается сценарий и интерактивное взаимодействие
программы с пользователями.
Разрабатываемый электронный учебник предназначен для
самостоятельной работы студентов младших курсов по изучению логических
основ теории компьютеров в рамках университетского курса. Его создание
имеет своей целью предоставить студентам, изучающим курс весь
теоретический материал, предусмотренный программой курса, а также
практические задания и контрольные вопросы для самопроверки.
Мною был проведен анализ теоретического материала по «Основам
теории компьютеров», раздел «Логические основы» с целью определения
степени пригодности предлагаемого теоретического материала к
компьютерной реализации в виде электронного учебника и эффективности
такой реализации.
В ходе анализа было выявлено, что данный теоретический материал
пригоден к компьютерной реализации и может быть эффективно представлен
в виде электронного учебника. Этот вывод основывается на том, что этот
теоретический материал четко структурирован, имеет резко выраженную
практическую направленность и предоставляет студентам большой простор
для самостоятельной работы.
4 этап: описание курса – здесь приводится описание всех
информационных фрагментов курса: текстовых, анимационных, звуковых и
видео.
Предлагаемый компьютерный учебник разбит на несколько
законченных взаимосвязанных фрагментов, каждый из которых обладает
определенной функцией и визуально представлен отдельным модулем. В
дальнейшем будем называть их блоками. Итак, в учебнике существуют
следующие блоки:
– блок регистрации – выполняет функцию регистрации студентов
пользовавшихся электронным учебником. Это необходимо для того, чтобы
программа могла по окончанию сеанса обучения сформировать ведомость, в
которой будут перечисленны студенты, работавшие с учебником и их успехи
в этой работе;
– блок изучения теоретического материала – здесь студентам
предлагается теоретический материал по изучаемой теме, разбитый на главы
и экраны. Встроенные средства навигации позволят им свободно
перемещаться по всему материалу учебника и находить интересующую их
информацию;
– блок примеров решенных заданий, – где студенты смогут увидеть
способы решения практических заданий по данной теме, для того чтобы
решать аналогичные примеры в своей самостоятельной работе;
143
– блок контрольных вопросов и задач, – который содержит набор
вопросов по пройденной теме, по окончанию обучения студенты должны
будут знать ответы на все вопросы, им также придется решить несколько
практических заданий и на основе полученных ответов система сможет
оценить успешность обучения;
– блок заданий для самостоятельной работы – это набор заданий
рекомендуемых студентам для самостоятельного решения с целью
закрепления теоретического материала и практических навыков решения.
5 этап: реализация курса – на этом этапе происходит выбор технико-
программных платформ и непосредственно программирование с помощью
выбранной авторской системы или системы программирования.
О том, как проходил анализ и каковы его результаты подробно описано
в следующих параграфах.
6 этап: опробование и тестирование – на этом этапе начинается
испытание разработанного приложения, проводится серия тестов с целью
выявить ошибки программирования. Проект еще далек от завершения, но
«экспериментальный» образец уже готов. После ряда проверок на
аппаратную совместимость команда контроля за качеством выносит свое
заключение и предлагает перечень недочетов замеченных в ходе испытаний,
которые предстоит исправить разработчикам. И так повторяется несколько
раз, пока не получится окончательная версия продукта, лишенная, в большей
или меньшей степени, недочетов и ошибок.
Все это в большой степени применимо и к предлагаемому
электронному учебнику. В процессе его создания приходилось не раз вносить
изменения и дополнения как в сам код программы, так и в оформление меню
и интерфейса. Процесс этот довольно продолжителен и не может считаться
оконченным даже сейчас, потому что создание полноценной системы
происходит в течение нескольких итерационных модификаций и адаптаций.
Но в целом продукт можно считать готовым к практическому использованию
в процессе обучения.
7 этап: эксплуатация и внедрение – на этом этапе происходит
внедрение полностью законченной компьютерной системы обучения в
образовательные учреждения. Разрабатывается план занятий с
использованием этой системы и начинается ее эксплуатация.
Применительно к предлагаемому компьютерному учебнику можно
сказать, что он разрабатывался для использования студентами младших
курсов кафедры «Компьютерные системы и технологии» МИФИ. Но этим
диапазон его применения не исчерпывается. Помимо указанных студентом
им могут пользоваться и студенты других отделений имеющих сходные
учебные планы, студенты заочного отделения.
Очень полезным и целесообразным видеться применение учебника для
проведения практических тестов и зачетов, а также подготовке к экзаменам –
его блок контрольных вопросов и практических заданий как нельзя лучше
подходит для этой цели.
144
Помимо своего прямого назначения компьютерный учебник может
оказаться полезным при изучении основ программирования под Windows,
изучении авторских систем программирования, в виде наглядного примера
при построении собственных обучающих систем.
Проверка и оценка знаний
При организации обратной связи и оценке качества обучения в
электронной обучающей системе необходимо организовать рейтинговую
систему оценки знаний. Каждому структурному узлу, входящему в
электронную обучающую систему присваивается определенное количество
баллов, которые учащийся получает, изучив структурный узел и выполнив
задания, содержащиеся в нем.
Равномерная схема
При определении рейтинга того или иного электронного учебника
достаточно воспроизвести формулу формирования формальных имен
электронной обучающей системы для соответствующего способа
структуризации и нормировать данную формулу к определенной величине,
скажем к 100. Это удобно, так как за 100 соответственно можно принять
количество процентов.
ОЗ – область знаний
i=n j=m
ОЗ = Σ А
i
Σ B
j
, где n – количество узлов первой категории, m – второй
i=1 j=0
i=n, k=n j=m
ОЗ = Σ А
i
А
k
Σ B
j
, где n – количество узлов первой категории, m –
второй = 100
i=1, k=1 j=0
j=m
ОЗ = А
Σ B
j
, где m – количество узлов второй категории
j=0
Для любой схемы структурирования величина ОЗ = 100. Таким образом, если
ученик усвоил все понятия данной ОЗ, то он получает рейтинговую оценку 100, Это –
простейшая схема. Недостатки данной рейтинговой системы в том, что рейтинг
равномерно распределяется между всеми категориями структурных узлов ОЗ, тогда как
они могу быть неоднородны по сложности усвоения.
Номер СУ 1 2 3 4 5
Категория
СУ
баллы
A
1.3
3
1.3
3
1.3
3
1.3
3
1.3
3
B
1.3
3
1.3
3
1.3
3
1.3
3
1.3
3
145
C
1.3
3
1.3
3
1.3
3
1.3
3
1.3
3
D
1.3
3
1.3
3
1.3
3
1.3
3
1.3
3
E
1.3
3
1.3
3
1.3
3
1.3
3
1.3
3
ИТОГО
6.6
5
6.6
5
6.6
5
6.6
5
6.6
5
Норма 100
Дифференцированная схема
Каждому типу структурных узлов присваивается свой рейтинг.
Категория
СУ
A B C D E
Номер СУ баллы
1 5 4 1.5 3 10
2 5 4 1.5 3 10
3 5 4 1.5 3 10
4 5 4 1.5 3 10
5 5 4 1.5 3 10
ИТОГО 25 20 7.5 15 50
Норма 100
Индивидуальная схема
Каждому структурному узлу в данной схеме присваивается
определенный рейтинг, однако все равно удобнее нормировать общий
рейтинг всего курса к цифре 100. Количественное выражение рейтинга в
этом случае, по прошедшему материалу будет выражать процент усвоенного
от общего материала курса (области знаний).
Номер СУ 1 2 3 4 5
Категория
СУ
баллы
A
6 4.1
6
4 2.5 1
B
4 4.1
6
3 4 2
C
5 3.1
6
2 2.5 2
D
5 4.1
6
3 2.5 3
E
5 5.1
6
3 1 2
146
ИТОГО
25 20.
8
15 12.
5
10
Норма 100
Нормирование
Вопросы нормирования рейтинга важны постольку, поскольку
нормирование имеет практическую ценность для следующих целей:
- количество баллов, набранных учащимся соответствует проценту
усвоенного материала. Соответственно, проверяющий может на любом этапе
обучения наблюдать за скоростью усвоения материала и за полнотой его
усвоения в конечном счете. При нормировании достаточно просто
устанавливать систему оценок, например – от 90 до 100% усвоенного
материала – 5,от 70 до 90 – 4,от 50 до 70 – 3 балла.
- Нормирование позволяет в дальнейшем корректировать уровень
сложности материала и адаптировать его к образовательному процессу,
объективно анализируя объемы усвоенного материала. Если материал
усваивается достаточно быстро и все ученики достигают 100% результата –
необходимо увеличить количество структурных узлов, и наоборот.
- Нормирование позволяет унифицировать систему рейтинговой
оценки курсов и позволяет объективно оценить процесс обучения. Единая
оценочная система позволит быстро анализировать ,каким образом идет
процесс обучения, наблюдать за его скоростью и качеством.
Присвоив рейтинговое значение каждому СУ необходимо
сформировать критерий присвоения баллов обучаемому на основе
содержащихся в данном СУ вопросов и заданий. Этот критерий сугубо
индивидуален. Например, выполнив 70% заданий, обучаемый получает балл,
указаный в рейтинге. В зависимости от уровня подготовки учащихся можно
менять планку оценки.
Основные определения теории цифровых автоматов
Функции алгебры – логики – это функции вида F = F(x
1
, x
2
… x
n
), где
x
i
=0 … 1, i = 1…n, F = 0…1.
Любую ФАЛ можно представить с помощью неогранниченного
количества элементарно-простых функций.
Совокупность элементарных функций F
1
F
2
…Fn, с помощью которых
можно описать любую ФАЛ, образуют функционально – полную систему
(логический базис).
Элементарная конъюнкция – это конъюнкция, в которой любая
переменная представлена один раз (в виде самой переменной или ее
отрицания).
Элементарная дизъюнкция – это дизъюнкция, в которой любая
переменная представлена один раз (в виде самой переменной или ее
отрицания).
147
x
3
x
3
Представление ФАЛ в базисе «И», «ИЛИ», «НЕ» - это представление в
нормальных формах.
Дизъюктивная нормальная форма (ДНФ) – это есть дизъюнкция
элементарных конъюнкций
F
ДНФ
= К
1
К
2
… К
m
, где К
i
- элементарная конъюнкция.
Конъюктивная нормальная форма (КНФ) – это есть конъюнкция
элементарных дизъюнкций
F
КНФ
= D
1
D
2
… D
m
, где D
i
- элементарная дизъюнкция.
Любую ФАЛ можно представить в виде ДНФ или КНФ.
Представление в нормальных формах имеет один существенный
недостаток – неоднозначность представления. Существуют совершенные
нормальные формы. В совершенных ДНФ и совершенных КНФ функции
представляются однозначно.
Основные методы теории цифровых автоматов
Методы представления ФАЛ в совершенной нормальной форме
(получение СКНФ, СДНФ)
В любой ФАЛ существует только одна совершенная нормальная форма
(СДНФ или СКНФ).
Совершенные ДНФ – функции от n аргументов, есть ДНФ,
удовлетворяющие двум условиям:
1) Нет одинаковых элементарных конъюнкций
2) В каждой элементарной конъюнкции присутствует X
i
либо для
всех i от 1 до n.
Совершенные КНФ – функции от n аргументов, есть КНФ,
удовлетворяющие двум условиям:
1) Нет одинаковых элементарных дизъюнкций
2) В каждой элементарной дизъюнкции присутствует X
i
либо для
всех i от 1 до n.
Теорема. Любую ДНФ (КНФ) можно преобразовать к совершенной
ДНФ (КНФ)
Доказательство:
F = F(x
1
, x
2
… x
n
)
ДНФ
= K
1
K
2
… K
m
K
2
,
так как K
2
= K
2
K
2
,
то допустим, что получили ДНФ:
F = F(x
1
, x
2
… x
n
) = (x
1
x
2
/x
3
) (/x
1
/x
3
) = (x
1
x
2
/x
3
) [(/x
1
/x
3
)
(x
2
/x
2
)] = (x
1
x
2
/x
3
) (/x
1
/x
3
x
2
) (/x
1
/x
3
/x
2
)
Получили совершенную дизъюктивную нормальную форму. Что и
требовалось доказать.
Правило получения СДНФ (СКНФ):
Выписываются конъюнкции (дизъюнкции) всех аргументов, на
которых функция принимает нулевое значение. Конъюнкции (дизъюнкции)
объединяем знаком дизъюнкции (конъюнкции), то есть получаем
дизъюнкцию (конъюнкций) элементарных конъюнкций (дизъюнкций).
148
X
i
X
i
Расставляем отрицание следующим образом: если переменная входит
как 0 (1), то остается без изменений, если 1 (0), то над ней ставится
отрицание. То есть каждая элементарная конъюнкция (дизъюнкция) должна
обращаться в ноль.
Пример:
Получить СДНФ функции:
F(x
1
, x
2
, x
3
) = x
1
(x
2
x
3
/x
1
)
x
1
x
2
x
3
/
x
1
x
3
/x
1
x
2
x
3
/x
1
x
1
(x
2
x
3
/
x
1
)
0 0 0 1 0 0 0
0 0 1 1 1 1 0
0 1 0 1 0 1 0
0 1 1 1 1 1 0
1 0 0 0 0 0 0
1 0 1 0 0 0 0
1 1 0 0 0 1 1
1 1 1 0 0 1 1
F
СДНФ
= (x
1
x
2
/x
3
) (x
1
x
2
x
3
)
Методы определения минимальных функций (ДНФ, КНФ)
Логические основы широко используются для решения задач анализа и
синтеза логических систем.
Этапы анализа систем:
Формирование функций, описыващих работу логических систем.
Минимизация этих функций.
Анализ схемы, посредством исследования минимальных ФАЛ.
Этапы синтеза:
Запись закона функционирования схемы (таблиц истинности и др.)
Выбор логического базиса (в нем записывается уравнение)
Минимизация логических уравнений
Построение схемы по логическим уравлениям
Минимальная ДНФ – это ДНФ, содержащая минимальное количество
букв по
сравнению с любой другой, эквивалентной ДНФ.
F
1
,F
2
…F
k
– эквивалентные ДНФ
F(x
1
, x
2
… x
n
)
ДНФ
=
Минимальная КНФ – это КНФ, содержащая минимальное количество
букв по
сравнению с любой другой, эквивалентной КНФ.
F
1
,F
2
…F
k
– эквивалентные КНФ
F(x
1
, x
2
… x
n
)
КНФ
=
149
F
1
F
2
…
F
k
F
1
F
2
…
F
k
Методы определения минимальных ФАЛ:
Метод Квайна (классический)
Метод Квайна – Мак – Класки
Метод диаграмм Вейча
Метод Блейка – Порецкого
Метод Петрика
Минимизация ФАЛ методом Квайна
Метод Квайна основывается на применении двух основных
соотношений:
1. Соотношение склеивания xy V x/y = xy V x/y V x
2. Соотношение поглошения x~y V x = x, где ~x E {x;/x}
Суть метода заключается в последовательном выполнении всех
возможных склеиваний и затем всех поглощений, что приводит к
сокращенной ДНФ.
Метод применим к совершенной ДНФ. Из соотношения поглощения
следует, что произвольное элементарное произведение поглощается любой
его частью.
Для доказательства достаточно показать, что произвольная простая
импликанта р = x
i1
x
i2
... x
in
может быть получена. В самом деле, применяя к р
операцию развертывания (обратную операции склеивания): A = A (x v /x) =
Ax v A/x по всем недостающим переменным x
i^(k+l)
, ..., x
i^n
исходной функции
f, получаем совокупность S конституент единицы. При склеивании всех
конституент из S получим импликанту р. Последнее очевидно, поскольку
операция склеивания обратна операции развертывания. Множество S
конституент обязательно присутствует в совершенной ДНФ функции f
поскольку р - ее импликанта.
Алгоритм получения минимальной формы (ДНФ, КНФ):
1 этап. Формируется СДНФ (СКНФ) для данной функции.
2 этап. Из полученной СДНФ (СКНФ) получаем сокращенную ДНФ
(КНФ).
3 этап. Из сокращенной ДНФ (КНФ) получаем тупиковые ДНФ (КНФ).
4 этап. Из тупиковых ДНФ (КНФ) выбираем минимальные ДНФ
(КНФ).
Сокращенная ДНФ (КНФ) – это функция, получаемая из исходной
СДНФ
(СКНФ) при выполнении всех операций полного
склеивания и всех операций поглощения
Тупиковая ДНФ (КНФ) – это дизъюнкция (конъюнкция) простых
элементарных конъюнкции (дизъюнкции), ни одну из которых
исключить нельзя.
150