Силаенков А.Н. Автоматизированные обучающие системы. Обзор

Подождите немного. Документ загружается.

Экспериментальная часть

Разработка программы

Разработка пользовательского интерфейса

Интерфейс программы представляет из себя несколько отдельных

форм (TForm). На каждой форме есть три кнопки «Далее», «Назад»,

«Выход». Переход от одной формы к другой осуществляется обработчиками

событий нажатия кнопок. При нажатии кнопки «Выход», вызывается метод

Close для главного окна, и программа завершается. При этом окно, на

котором произошло нажатие кнопки, скрывается (вызывается Close).

В процессе разработки программы было принято решение, что вариант

с несколькими формами не приемлем для данной программы, так как:

 использование нескольких форм занимает много памяти,

 не удобно постоянно закрывать и вызывать заново по нажатии

клавиш формы, так как это существенно замедляет работу программы,

 приходится постоянно следить программно за размерами

интерфейса,

 на каждой форме свои кнопки, следовательно и свои обработчики

событий, а это увеличивает программный код.

Для того, чтобы обойти данные проблемы, было решено использовать

компонент TPageControl. Данный компонент может содержать несколько

перекрывающих друг друга панелей класса TTabSheet. Каждая панель

выбирается связанной с ней закладкой и может содержать свой набор

помещенных на нее компонентов.

Интерфейс представлен несколькими TTabSheet на одном

TPageControl.

Кнопки управления перемещением и выходом из программы находятся

только на TPageControl, что значительно облегчило процесс управления

программой и ускорило процесс ее работы.

Интерфейс представлен (TTabSheet):

1. Главное окно

2. Окно авторизации (регистрации)

3. Окно выбора урока

4. Урок «Представление ФАЛ»

5. Урок «Минимизация методом Квайна-Мак-Класки»

6. Урок «Минимизация методом Петрика»

7. Урок «Минимизация методом диаграмм Вейча»

Разработка системы хранения информации

Существует три файла. Первый – для хранения информации о

пользователях, второй – для хранения информации о существующих в

системе уроках, третий – для хранения информации о выполняемых

заданиях.

161

Для хранения файлов может использоваться как локальный жесткий

диск, так и сетевой ресурс. По умолчанию используется локальный диск.

Для того, чтобы программа работала с сетевым ресурсом, необходимо

дополнительно прописать полный путь в настройках программы.

Формат файлов.

Файл для хранения информации о пользователях:

Идентификатор~ПризнакАдминистратора~Фамилия~Имя~Отчеств

о~Группа~ПризнакАдминистратора~Дата регистрации в системе

~Логин~Пароль

Файл для хранения информации об уроках, существующих в системе:

Идентификатор~НазваниеУрока

Файл для хранения информации о выполнении уроков:

ИдентификаторПользователя~ИдетификаторУрока~ДатаВыполнен

ияУрока~ВремяНачала~ВремяОкончания~ПризнакТестовогоУрока~Оценка

Файл для хранения информации об уроках поставляется вместе с

программой.

Файл для хранения информации о пользователях заполняется при

регистрации новых пользователей.

Файл для хранения информации о выполнении уроков заполняется при

выполнении уроков. При каждом входе в урок, в файл заносится

информация: уникальный номер пользователя, уникальный номер

выполняемого урока, дата выполнения урока, время начала выполнения

урока, оценка, время окончания выполнения урока (определяется по времени

выставления оценки или по времени завершения программы, если

пользователь до выставления оценки не дошел, прервав работу программы).

Разработка подпрограммы «Представление ФАЛ»

На первом этапе работы программы генерируется функция из трех

переменных.

Функция генерируется случайным образом из: x

, x

, /x

, , ,

(, ). При этом анализируется, чтобы переменная и ее отрицание не попадали

одновременно в функцию. И чтобы, изначально генерируемое количество

знаков ,  не превышало количество возможных конъюнкций и дизъюнкций

переменных (для функции из трех переменных число не может превышать 3).

После того, как функция сгенерирована, программа разбивает функцию

на подфункции по приоритету выполняемых операций, и отображает

получившиеся подфункции в таблице.

Сначала записываются отрицания всех переменных. Далее отрицания

переменных плюс операции выполняемые в скобках (конъюнкция

приоритетнее дизъюнкции). И в последний столбец таблицы записывается

вся функция.

Программа расчитывает все значения функции. Получает строку из

переменных и значений функции.

162

Данная строка сравнивается со строкой значений из таблицы,

заполненной пользователем.

Если строки совпадают, то напротив строки выводится знак «+», если

не совпадают, то - «-».

Получение результата возможно только после того, как все строки

совпадут.

Вывод результата, функции СКНФ, СДНФ. Вывод количества ошибок.

Разработка подпрограммы «Минимизация ФАЛ методом Квайна –

Мак - Класки»

На первом этапе работы программы генерируется функция из трех

переменных F(x, y, z). Функция генерируется случайным образом из: пяти

чисел в диапазоне от 0 до 7, знаков  или Р, (, ). Осуществляется проверка на

то, что бы числа не повторялись. Знаки , Р, (, ) должны входить в функцию

один раз.

По полученной функции формируется таблица истинности для трех

переменных.

Далее пользователь производит операции склеивания. Склеивание

происходит между соседними строками массива. Два вложенных цикла.

Внешний цикл проходит по всем ячейкам сравниваемой строки, внутренний

– по ячейкам строки, с которой сравниваем. Если склеивание удалось, то

запись в следующую таблицу и установка флага выбора в 1. Если все флаги

равны 0, то формируется импликантная матрица.

Точно также проход следующей таблицы.

Далее проход по всем таблицам. Проверяется флаг выбора. Значения, у

которых флаг выбора равен 0, помещаются в импликантную матрицу.

По импликантной матрице пользователь должен выбрать минимальную

функцию, отмечая строки таблицы признаками («галочками»).

Программа проверяет, является ли выборка полной, то есть все ли

выбранные строки содержат знак «+», чтобы перекрыть все столбцы

импликантной матрицы.

Также программа проверяет, является ли выбранная пользователем

функция минимальной.

Минимальность функции проверяется с помощью той же функции,

которая определяет, что выборка является полной. А именно:

предполагается, что выборка (массив с номерами строк из матрицы) на один

элемент меньше. Проверяется является ли выборка полной. Если выборка по-

прежнему полная (после того, как один элемент убрали), то полученная

функция не минимальна.

Разработка подпрограммы «Минизация ФАЛ методом диаграмм

Вейча»

На первом этапе работы программы генерируется функция из четырех

переменных F(x

, x

). Функция генерируется случайным образом из:

163

чисел от 0 до 15, знаков , Р, (, ). Проверка на то, что бы числа не

повторялись. Знаки , Р, (, ) должны входить в функцию один раз.

По полученной функции формируется таблица истинности для четырех

переменных.

Заполняется массив MAS. Каждой ячейке массива соответствует набор

переменных булевой функции в ее таблице истинности. Значение «1» должно

указываться в ячейке, соответствующей набору, на котором значение

функции равно «1».

Далее программа вычисляет все возможные минимальные функции по

алгоритму перебора (см. 2.5.2.1).

В процессе разработки программы было решено отказаться от

алгоритма перебора, так как определить минимальную функцию быстрее и

надежнее методом Квайна-Мак-Класки.

Заполнение диаграммы пользователем. Проверка правильности

заполнения диаграммы. Значение «1» должно указываться в ячейке,

соответствующей набору, на котором значение функции равно «1».

Объединение ячеек диаграммы пользователем.

Проверяется то, чтобы объединяемые ячейки были соседними (ячейки,

лежащие на границах диаграммы также являются соседними по отношению

друг к другу), также в объединения не должны входить «0», также каждая

«1» должна хотя бы один раз войти в объединение.

По данным объединениям формируются функции.

Программа получает минимальные функции по алгоритму перебора.

На вход данного алгоритма необходимо предоставить импликантную

матрицу (в виде массива). Импликантная матрица получается по такому же

алгоритму, как и в методе Квайна-Мак-Класки.

Далее проверка, являются ли полученные пользователем функции

минимальными. Если хотя бы одна из полученных пользователем функций

совпадает с одной из функций, полученной программно, то данная функция

является минимальной.

Вывод на экран результата. Вывод количества ошибок и оценки.

(1) Разработка функции «перебора»

На вход функции подается импликантная матрица. Возвращает

функция массив минимальных функций.

На первом шаге запоминаются координаты ячеек матрицы, в которых

стоят знаки «+». Записываются координаты в новый массив (строки,

столбцы).

Идем по массиву, анализируем значения стобцов. В зависимости от

результата анализа запоминаем полную координату в новый массив. Если

значение столбца еще не присутствует в новом массиве, то записываем его

туда. И так до конца исходного массива.

Далее переносим первый элемент исходного массива в конец массива.

И повторяем процедуру заново. И так, пока все элементы массива не будут

перенесены по одному разу.

164

Далее анализируем новый массив, находим в нем массивы с

наименьшим размером. Дизъюнкции или конъюнкции элементов этого

массива и будут минимальными функциями.

Разработка подпрограммы «минимизация ФАЛ методом Петрика»

На первом этапе работы программы генерируется функция из трех

переменных F(x, y, z). Функция генерируется случайным образом из: пяти

чисел в диапазоне от 0 до 7, знаков  или Р, (, ). Осуществляется проверка на

то, что бы числа не повторялись. Знаки , Р, (, ) должны входить в функцию

один раз.

По полученной функции формируется таблица истинности для трех

переменных.

Далее пользователь производит операции склеивания. Склеивание

происходит между соседними строками массива. Два вложенных цикла.

Внешний цикл проходит по всем ячейкам сравниваемой строки, внутренний

– по ячейкам строки, с которой сравниваем. Если склеивание удалось, то

запись в следующую таблицу и установка флага выбора в 1. Если все флаги

равны 0, то формируется импликантная матрица.

Точно также проход следующей таблицы.

Далее проход по всем таблицам. Проверяется флаг выбора. Значения, у

которых флаг выбора равен 0, помещаются в импликантную матрицу.

Строится конъюктивное представление импликантной матрицы –

конъюнкция построенных дизъюнкций всех столбцов матрицы. Имеющиеся

простые импликанты (значения строк) обозначаются буквами.

Полученную функцию пользователь должен упростить, используя

соотношения булевой алгебры.

Упрощенная функция является результатом.

Далее проверка, является ли полученная пользователем функция

минимальной. Программа получает минимальные функции с помощью

алгоритма перебора. На вход данного алгоритма необходимо предоставить

импликантную матрицу (в виде массива).

Далее анализирует, совпадает ли введенная пользователем функция

хотя бы с одной из полученных программно.

Выводится количество допущенных ошибок и оценка.

Тестирование и отладка

Процесс отладки является неотъемлемой частью создания любой

программы. При программировании могут быть допущены ошибки, которые

принадлежат к одному из следующих типов:

Синтаксические ошибки. Они связаны с применением в программе

конструкций, не отвечающих требованиям используемого языка.

Логические ошибки. Они связаны с несоответствием программы

алгоритму решения поставленной задачи.

165

Тестирование системы проводилось на всем протяжении разработки

системы.

Основным эталоном при тестировании считается проектная

документация. Первый этап тестирования можно прекращать, когда есть

уверенность, что большая часть синтаксических ошибок и аварийных

остановов устранена. Остальные постепенно будут устраняться в процессе

других этапов тестирования.

Этот этап тестирования выполнялся в процессе написания программ.

Каждая программа в процессе разработки запускалась блоками для проверки

правильности написания на промежуточных этапах и устранения ошибок на

ранних этапах.

Второй этап тестирования можно прекращать, когда большая часть

функциональности проверена и работает в соответствии с проектной

документацией. Остальные несоответствия будут устраняться в процессе

написания сопроводительной документации.

После разработки и дополнения интерфейсной части проводилась

проверка на правильное вычисление результатов расчетов программой. Это

проводилось путем сравнения информации в окнах интерфейса и результатов

ручных расчетов. Также позднее был реализован алгоритм проверки

правильности выбора пользователем минимальных функций. Эта

подпрограмма использовалась для тестирования программ минимизации.

Правильность выполнения программ тестировалось путем ввода в

местах ветвлений различных значений и проверялось, чтобы дальнейшее

выполнение программы происходило по нужной ветви. При проверке

корректности ввода информации проверялось, чтобы при неправильном

заполнении поля запись данных в эти поля не производилась.

И наконец, третий этап тестирования можно прекращать, когда

основные расчетные тесты дают правильные результаты.

Для отладки разрабатываемого модуля применялись встроенные

средства отладки среды Delphi 7. Среда включает широкий спектр новейших

средств для локализации всех типов ошибок. Ниже перечислены некоторые

из них:

В прежних версиях Delphi точки прерывания были предназначены

только для остановки процесса выполнения в режиме отладки.

В Delphi 7 можно указать какие именно действия (breakpoint actions)

следует выполнить в момент достижения точки остановки. Приостановить

выполнение (как в прежних версиях Delphi), добавить текстовое сообщение в

log-файл для регистрации событий отладчика (event log), записать в log-файл

результат вычисления выражения, содержащего переменные отлаживаемого

процесса (или вычислить выражение и никуда результат не записывать), а

также сделать доступной, или недоступной, группу точек прерывания (о

группах будет сказано ниже). Можно выполнить одновременно несколько

действий в одной точке прерывания.

166

С помощью пункта меню Run/Attach to Process можно начать

отлаживать любой из уже запущенных процессов, в том числе, не имеющий

отношения к Delphi.

Среда разработки Delphi 7 поддерживает операции drag-and-drop во

время отладки. Например, из редактора кода можно перенести выражение в

окно Watch List, после чего это выражение останется в соответствующем

списке. Можно перенести выражение в Debug Inspector. Можно также

перенести выражение на панель, содержащую дамп памяти в окне CPU, и

получить его адрес.

Тестирование разработанного приложения проводилось с помощью

специальной модели Rational Rose. Она содержит полный набор ситуаций,

необходимых для выявления возможных ошибок преобразования. Методика

тестирования включает следующие действия:

Преобразование тестовой модели с помощью разработанного модуля;

Анализ полученных результатов на предмет соответствия требованиям;

Составление протокола испытаний с указанием ошибок и

несоответствий.

В результате тестирование и отладки программы признаны годными к

эксплуатации.

Заключение

Целью данной работы было разработать электронный учебник по теме

«Логические основы теории компьютеров». Требовалось разработать три

урока к данному электронному учебнику: представление ФАЛ, минимизация

ФАЛ методом диаграмм Вейча, минимизация ФАЛ методом Квайна – Мак –

Класки, минимизация ФАЛ методом Петрика.

Для этого требовалось:

 произвести обзор теоретического материала по методам

представления ФАЛ

 разработать сценарий проведения уроков

 алгоритмы программ

 написать и отладить программы

 разработать пользовательский интерфейс

Для достижения поставленных целей и решения предложенной задачи

была проделана следующая работа:

 Рассмотрено современная ситуация в процессе компьютеризации

нашего общества и конкретно процесса образования в высшей школе.

 Детально изучена методика создания компьютерных обучающих

мультимедиа систем, которая была в дальнейшем использована при

разработке собственного компьютерного приложения.

 Изучены наиболее популярные средства разработки электронных

учебников.

 Проведен сравнительный анализ этих инструментальных сред с

целью выявления системы, наиболее отвечающей требованиям,

предъявляемым при разработке учебника.

167

 Проведен анализ теоретического материала предлагаемого к

изучению студентам и выбран материал для первоочередной реализации в

компьютерном учебнике.

 Были созданы три урока к данному электронному учебнику.

Созданы уроки по представлению ФАЛ, минимизации ФАЛ методом

диаграмм Вейча, минимизации ФАЛ методом Квайна – Мак – Класки.

 Произведен обзор методов представления и преобразования

функций.

 Разработан сценарий проведения уроков. Определены

спецификации исходных данных. Исходные данные генерируются

случайным образом.

 Созданы алгоритмы программ. По алгоритмам написаны и

отлажены программы, имитирующие выполнение операций. Разработаны

алгоритмы для проверки правильности полученных пользователями

результатов.

 Разработана структура пользовательского интерфейса.

Программы прошли тестирование и отладку.

Практическую ценность работы вижу в том, что: во-первых, был

получен опыт разработки обучающих компьютерных систем, в том числе

освоены инструментальные средства разработки подобных систем; во-

вторых, университет получит в свое распоряжение и сможет использовать в

образовательном процессе новое электронное средство обучения.

Данное электронное учебное пособие было представлено на выставке

«Компьютерные системы в образовании».

В следующем учебном году данное учебное пособие может

использоваться для обучения студентов как вечернего, так и дневного

отделений. Разработанные средства позволят повысить качество и

эффективность, скорость обучения студентов.

Несомненно, современный электронный учебник, должен иметь

интернет - поддержку, так как она предоставляет уникальную возможность

обновления материала, создает благоприятные условия для активной

самостоятельной работы студентов и абитуриентов. В будущем планируется

разработать интерактивный электронный учебник по данному курсу.

Список литературы

1. Федеральный закон от 23.09.1992 №3523-1 (ред. от 02.11.2004)

«О правовой охране программ для электронных вычислительных машин и

баз данных».

2. Федеральный закон от 09.07.1993 №5351-1 (ред. от 20.07.2004)

«Об авторском праве и смежных правах».

3. Федеральный закон от 20.07.2004 №72-ФЗ «О внесении

изменений в закон Российской Федерации «Об авторском праве и смежных

правах».

168

4. Методика применения дистанционных образовательных

технологий (дистанционного обучения) в образовательных учреждениях

высшего профессионального образования Российской Федерации,

Министерство Образования Российской Федерации, методика от 01.07.2002.

5. Савельев А.Я., Прикладная теория цифровых автоматов –

Москва: Высшая школа, 1987.

6. Савельев А.Я., Арифметические и логические основы цифровых

автоматов – Москва: Высшая школа, 1980.

7. Соловьев Г.Н., Арифметические устройства ЭВМ – Москва:

Энергия, 1978.

8. Любомудров А.А., Основы теории компьютеров, курс лекций –

Москва: Московский Инженерно Физический Институт (государственный

университет), 2000.

9. Иванов М.А., Криптография. Криптографические методы защиты

информации в компьютерных сетях и системах – Москва: КУДИЦ-Образ,

2001.

10. Фаронов В.В., Учебный курс Delphi 4 – Москва: Нолидж, 1998.

11. Дж. Грофф, П. Вайнберг, SQL, 3-е издание – Москва: Литер,

2003.

12. Карпова Т. С., Базы данных. Модели, разработка, реализация –

Санкт-Петербург: Питер, 2002

13. Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф., Базы знаний

интеллектуальных систем – Санкт-Петербург: Питер, 2000

14. Брановский Ю.С., Введение в педагогическую информатику –

Ставрополь: СГПУ, 1995.

15. Журнал «Вестник ПОИПКРО» №3 2002, «Структуирование

знаний для дистанционного обучения».

16. Журнал «Открытое образование» №3 2002, «Анализ структуры

знаний методом S-диаграмм».

17. Журнал «Открытое образование» №3 2003, «Способы

представления знаний для дистанционного образования».

18. Гаврилов Н. А., Структуирование знаний, курс дистанционного

образования –Пермь: Пермский областной институт повышения

квалификации работников образования, 2004.

19. http:www//ptca.narod.ru

169

170