Интерактивные ресурсы высокой сложности и проблема их создания

Р. И. Ивановский

Интерактивные ресурсы высокой сложности и проблема их создания

●

Аннотация Анализируется проблема создания интерактивных ресурсов со сложным алгоритмическим содержанием, в которых нужда ются в первую очередь вузы. Практически безальтернативным путем создания интерактивных ресурсов высокой сложности (ИРВС) служит широкое использование систем компьютерной математики (СКМ), которые имеют в арсенале встроенных про цедур необходимые для ИРВС элементы. Дополнительное разви тие этого подхода дает использование MathCAD Application Server (MAS). Рассматриваются преимущества и перспективы практического применения этой технологии.

ВВЕДЕНИЕ Создание единой открытой информационнообразователь ной среды (ИОС) остается основной задачей системы образова ния Российской Федерации в текущий период ее развития. Значение ИОС еще больше возросло в связи с реализацией на ционального проекта «Образование». Информационнообразо вательная среда призвана обеспечить пользователям любого уровня — от учеников до преподавателей и специалистов с выс шим уровнем квалификации — возможность неограниченного свободного доступа к соответствующим для каждого слоя по требителей образовательным ресурсам. Глобальная проблема создания ИОС выдвигает на передний план множество взаимосвязанных проблем относительно более низкого уровня. К ним относятся: создание телекоммуникацион ной аппаратнопрограммной среды общего доступа; разработка и использование интерактивных образовательных ресурсов

410

(ИОР), виртуальных учебнолабораторных комплексов; обеспе чение высокого качества образования в новых условиях и мно гое другое. Каждая из упомянутых проблем заслуживает отдель ного детального рассмотрения. Некоторые из них проанализи рованы [1]. В рамках настоящего материала остановимся на проблеме создания интерактивных ресурсов высокой сложности, т. е. таких ресурсов, которые имеют сложное алгоритмическое со держание и требуют выполнения больших объемов вычисли тельных работ. В прошлые периоды развития системы образования, когда компьютеры еще не стали доминантой образовательных техно логий, качество образования зависело в основном от трех составляющих (трех «китов») — «качества» учеников, уровня профессиональной подготовки (готовности) преподавателей и используемых технологий образования. В текущих условиях, когда в образовательные процессы активно внедряются компь ютерные технологии, в число основных факторов, определяю щих качество образования, следует ввести еще и качество инте рактивных образовательных ресурсов. При этом понятно, что достичь высокого качества образования можно только при при мерно одинаковом высоком уровне качества перечисленных факторов. Снижение уровня (качества) хотя бы одного из четы рех факторов неизбежно приведет к снижению качества обра зования в целом. Действительно, нельзя обеспечить высокое качество образования при использовании, например, старых технологий, позволяющих на практических занятиях рассмот реть однудве типовые задачи, или применении интерактивных ресурсов, не прививающих необходимых навыков и умений, и пр. Анализ степени влияния каждого из перечисленных факто ров на результирующее качество образования позволяет сделать ряд выводов. Высокое качество образования может быть достиг нуто при обеспечении: 1) достаточного методического и программнотехническо го обеспечения образовательного процесса; 2) достаточного уровня начальной подготовки (стартового уровня) «ученика» к последующему обучению с использованием компьютерных технологий; 3) достаточного уровня развития личностных характерис тик «ученика» (способность к освоению новых знаний, приоб ретению умений, навыков, мотивация к использованию компь ютерных технологий и пр.); 4) эффективной организации процесса образования, при которой достигаются своевременные дозированные и обосно ванные «образовательные воздействия»; 5) необходимого уровня профессиональной подготовки преподавательского состава;

411

6) практического использования эффективных образова тельных технологий, включая компьютерные технологии; 7) высокого методикопедагогического и технического уровней используемых ИОР. Не обсуждая содержание пп. 1—6, которые должны обеспе чиваться организационнотехническими мероприятиями обра зовательных учреждений [1], остановимся на п. 7, делая акцент на интерактивных ресурсах высокой сложности.

1

И Н Т Е РА К Т И В Н Ы Е О Б РА З О В А Т Е Л Ь Н Ы Е Р Е С У Р С Ы И ИХ ПОЛЬЗОВАТЕЛИ

Применение в образовательных процессах наряду с тради ционными и новых технологий образования, в которых все большее распространение приобретает использование различ ных типов научного программного обеспечения, относится в равной степени как к подготовке специалистов с высшим обра зованием, так и к подготовке кадров высшей квалификации и переподготовке действующих кадров. Необходимость глубокой компьютеризации современного учебного процесса диктуется в первую очередь высокой сложностью тех объектов, систем, явлений и процессов, с которыми специалисты встречаются в своей профессиональной деятельности. В этих условиях все большее значение в образовательных процессах приобретают ИРВС, отражающие особенности профильных задач со слож ным алгоритмическим содержанием. Необходимость в подоб ном ресурсном обеспечении современного учебного процесса диктуется стремлением приблизить содержание проблем и от дельных прикладных задач к соответствующим реалиям. Проблема создания ИРВС по отдельным направлениям об разования, к сожалению, оказалась в тени широких программ создания горизонтального и вертикальных образовательных порталов (см., например, [2]), в большей части уже завершенных. В этих программах основное внимание уделялось разработке ИОР и методическим разработкам для средней школы. В резуль тате вузы, прежде всего технические, остались без современных средств поддержки учебного процесса. Понимая, что проблема создания ИРВС для вузов с учетом огромного количества специальностей и направлений высшего профессионального образования представляет весьма емкую и многогранную задачу, решить которую в состоянии лишь боль шие творческие коллективы при достаточном финансировании, отметим лишь некоторые моменты, по мнению автора, способ ствующие успешному решению проблемы.

412

В настоящее время можно говорить о накоплении опреде ленного опыта создания и практического использования ИОР в процессе образования. В известных работах [3, 4 и др.] прове ден детальный анализ различных аспектов содержания и мето дических основ применения образовательных ресурсов. Проб лемы создания и использования ИОР обсуждались на всерос сийских и международных конференциях («Электронные учебники и электронные библиотеки в открытом образовании», «Информационные технологии в образовании», «Телематика») [2, 4 и др.]. На этих конференциях демонстрировалось множе ство ИОР различного назначения. Эти и другие материалы поз воляют составить общее представление о состоянии и перспек тивах использования ИОР в образовательных учреждениях раз личного уровня, высказаться в пользу того или иного подхода к созданию, внедрению и практическому применению ИОР. На пути практического внедрения компьютерных техноло гий в систему образования существует немало препятствий, зна чительная часть которых определяется составом пользователей. Пользователями ИОР являются «ученики» в том интеграль ном смысле, который был введен в начале первого раздела. Множество «учеников» неоднородно по уровням начальной подготовки, однако это не служит препятствием развития обра зовательных информационных технологий, поскольку после создания ИОС каждый «ученик» сможет подобрать ресурс со образно своему уровню. Более значимой с точки зрения ИОР характеристикой служит потенциальная способность «учеников» практически использовать компьютерные технологии в процес се образования. С этой позиции контингент «учеников» доста точно четко делится на группы пассивных и активных пользо вателей. Последняя, доминирующая и наиболее интересная для нас группа неоднородна по базовой подготовке, но ее предста вители готовы мотивированно использовать компьютерные тех нологии. Разработка ИОР должна быть нацелена в первую оче редь на активную группу пользователей. При этом нельзя забы вать о целевом назначении ИОР, призванных повышать багаж знаний, умений, навыков. В то же время среди разработанных и предлагаемых в настоящее время ИОР превалируют ресурсы, в которых наряду с прекрасным дизайном, большим числом анимаций, спецэффектов заметна слабая методическая основа, отсутствует четкое понимание, для кого предназначен ресурс и как он должен реально использоваться в учебном процессе. Интерактивность таких ИОР в лучшем случае заключается в предложении «ученику» вызвать нужный режим щелчком мы ши, вызвать поясняющие фрагменты, выбрать из списка пара метры процессов и наблюдать на картинке последствия этого выбора, «зацепить» точку на графике и ее перемещениями вы звать изменения графика и пр. Представляется, что на ресурсах такого рода можно готовить лишь пассивных наблюдателей, ко

413

торые как бы просматривают материал с высоты птичьего по лета, не погружаясь в него должным образом. Безусловно, поль зователь при работе с такими ИОР может запомнить некоторые качественные связи типа «увеличил одно — уменьшилось дру гое», но этого будет явно недостаточно для того, чтобы «ученик» научился ставить, формализовывать, решать и анализировать свои профессиональные задачи. Внешняя привлекательность ИОР не служит гарантией того, что с его помощью, на его основе можно подготовить специа листа, способного самостоятельно решать свои профессиональ ные задачи. Последнее соображение требует включения в груп пу разработчиков ИОР методистов высокой квалификации и в большинстве случаев предполагает необходимость расширения привычных технологий создания ИОР и привлечения, напри мер, систем компьютерной математики.

2

О Б РА З О В А Т Е Л Ь Н Ы Е Р Е С У Р С Ы И КОМПЬЮТЕРНАЯ МАТЕМАТИКА

Опыт, накопленный системой образования Российской Федерации за последние три—пять лет, позволяет считать, что в широком диапазоне направлений обучения эффективности ИОР можно добиться, применяя Javaапплеты и Flashтехноло гии. Большой положительный опыт использования подобных подходов при создании ИОР накоплен специалистами СПбГПУ, СПбГУ ИТМО и рядом других вузов. Подходы, базирующиеся на Javaапплетах и Flashтехноло гиях, обеспечивают высокий уровень анимации, интерактивнос ти, информативности материала. В то же время нельзя не отме тить, что такой путь создания ИОР сопряжен со значительны ми затратами времени и сил программистов при реализации даже относительно несложных сценариев и имеет определен ные ограничения области возможного применения. Несколько более прогрессивным служит путь создания учебных Javaаппле тов на базе современных сред имитационного моделирования, в первую очередь среды AnyLogic [5]. Однако следует признать, что рациональная сфера приме нения подобных технологий ограничена созданием ИОР, в со держательной части которых отсутствует необходимость реше ния сложных математических задач. Такие задачи (низкой и средней сложности) характерны для средних образовательных учреждений. В то же время достаточно большой класс профес сиональных задач вузовской тематики, которыми должен вла деть современный специалист, связан с решением как раз алго ритмически сложных задач. В этих задачах широко использует ся оптимизация, сложные аналитические преобразования,

414

элементы теории вероятностей и математической статистики, функциональные преобразования и пр. Методы решения по добных задач изучаются в рамках большинства технических, экономических и других специальностей вузов. Но проблема доведения «учеников» до умения решать подобные задачи оста ется, как правило, реализованной не полностью. Одним из пу тей решения подобной проблемы является использование (СКМ), необходимость широкого внедрения которых в образо вательный процесс была отмечена на выездной сессии НМС по математике Минобрнауки России (Набережные Челны, 27.02.2006 г. [6]). Алгоритмы решения сложных математических задач при создании ИОР не рационально реализовывать на языках высо кого уровня, поскольку разработка таких программ будет со пряжена со значительными временными и материальными за тратами, трудностями доведения программы. Известны, напри мер, трудности при разработке программ, реализующих методы численного определения экстремума функции многих аргумен тов при условиях ограничений. Затраты времени и сил на раз работку таких программ, например, на языке Java будут на столько велики, что сделают разработку и реализацию ИРВС, позволяющих информатизировать процесс изучения проблем оптимизации, практически неосуществимыми. СКМ универсального типа (MathLAB, Mathematica, MathCAD, Maple и др.) успешно используются при решении прикладных задач широкого диапазона сложности. В этих программных сис темах реализовано большое количество удобных процедур, не только обеспечивающих получение численного, символьного или графического результата, но и предусматривающих различ ные формы вывода результатов, анимацию графиков, возмож ность многовариантного оперативного пересчета при измене нии исходных данных и многое другое. Широта охвата классов решаемых задач, отсутствие высоких требований к пользовате лям как к математикам и программистам обеспечили широкое распространение СКМ в среде студентов, специалистов различ ного уровня, научных работников. Лидером по распространен ности является система MathCAD [7—9 и др.]. Учитывая, что будущая профессиональная деятельность вы пускника будет осуществляться в условиях все более широкого применения персональных компьютеров, расширяющейся палитры программных и аппаратурных средств, рациональное использование СКМ в учебном процессе становится все более необходимым. Примеры образовательных ресурсов с включением СКМ можно найти на известном образовательном сайте http://www. exponenta.ru, в работах [6—10 и др.]. В последнее время появились дополнительные возможнос ти, облегчающие применение СКМ в качестве основы создания

415

Рис. 1. Интерактивный ресурс локального типа

ИРВС. Это относится, например, к СКМ MathCAD и связано с появлением в последних версиях этой программной системы совокупности органов управления (слайдеров, текстбоксов, комбобоксов, различных кнопок и пр.). Внешний вид одного из таких ресурсов, выполненных в MathCAD с применением орга нов управления, представлен на рисунке 1. Этот ресурс предназначен для изучения степени влияния параметров динамического звена на вид переходной характе ристики и распределение его корней на комплексной плоскос ти. При кажущейся простоте ресурс достаточно сложен, по скольку для создания требует применения обратного преобра зования Лапласа в символьном виде. Изменение параметров динамического звена осуществляется с помощью двух слайде ров. Каждое изменение сопровождается изображением соответ

416

ствующей переходной характеристики и изменением поло жения корня звена. Щелчком мыши по кнопке Пояснения пользователь получает доступ к теоретическим положениям, касающимся данного звена, формульным зависимостям и пр. Подобный ресурс носит название локального, поскольку может быть использован лишь на компьютере, на котором установлен MathCAD. Следует обратить внимание, что при создании подобных ИРВС в среде MathCAD используются так называемые скрытые зоны, куда помещаются фрагменты и блоки получения резуль татов в mcdфайле. Две подобные зоны в закрытом (collapse) состоянии при сутствуют на рисунке 1 в виде двух горизонтальных линий. В них осуществляется обратное преобразование Лапласа для по лучения функций h(d, T, t), A(d, T, t), B(d, T, t), вещественной (a) и мнимой (b) частей корней, времени затухания и периода ко лебаний этого звена. Четыре последних параметра выводятся в ресурсе в форме вектора:

x =

⎛a ⎞ ⎜b ⎟ ⎜ Tt зат ⎟ ⎝ пер ⎠

x =

⎛ –0.05 ⎞ ⎜ 0.159 ⎟ ⎟ ⎜ 80 ⎝ 39.519 ⎠

При создании подобных интерактивных ресурсов разра ботчик должен учитывать, что ресурсы должны обладать следу ющими основными свойствами: ● содержательностью — сущность ресурса должна соответ ствовать определенному разделу, теме изучаемой дисципли ны, а не представлять процедуру решения какойлибо эле ментарной задачи; ● универсальностью — ресурс должен позволять находить решение для определенного класса типовых задач при раз личных наборах исходных данных; ● определенностью назначения, адресностью — ресурс дол жен быть направлен на конкретного пользователя (пользо вателей) — студентов и/или преподавателей, научных работников и др.; ● определенностью, где и как использовать ИР для получения результатов, приобретения знаний, умений и навыков, — ресурс должен предполагать возможность использования в различных формах занятий, для самооценки и самоконтро ля, в НИРС и пр. Использование подобных ресурсов при проведении заня тий: — исключает необходимость затрат времени и других ре сурсов на разработку необходимого (чаще специального) ПО;

417

— гарантирует решение профильных задач в кратчайшие сро ки, что позволяет в течение одного занятия проводить глу бокий многовариантный анализ рассматриваемой задачи (задач); — существенно повышает интенсивность практических заня тий; — повышает информативность занятий, поскольку привлека телен для слушателей, упрощает графическое представле ние, графическое решение и анимацию задач; — резко расширяет спектр возможностей преподавателя (ис следователя), высвобождает его время для новых разрабо ток, позволяя включать в круг обсуждаемых задач новые, более сложные и практически значимые профессиональ ные задачи. Поскольку в системе образования для учебного процесса требуется применять лишь лицензионное программное обеспе чение (ПО), легитимное использование подобных ИРВС воз можно лишь при наличии лицензионного MathCAD (~ 1300 USD для версии singleuser) на каждом пользовательском компьюте ре. Это связано с известными финансовыми трудностями, но обеспечивает легитимность образовательной деятельности. Дополнительные возможности, предоставленные разработ чиками СКМ, позволяют устранить и эти трудности. Так, раз работчиком MathCAD (MathSoft Engineering & Education) с 2003 года выпускается новый продукт — MathCAD Application Server (MAS). Число MAS в отечественной системе образования постепенно растет (http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/VPU_Book_New/ mas/index.html, http://mas.exponenta.ru). MAS обеспечивает доступ к размещенным на нем инте рактивным техническим материалам с помощью стандартного ПО, не требуя установки дополнительных программ или мо дулей на клиентских компьютерах. Располагая всем арсеналом встроенных функций СКМ MathCAD, MAS позволяет решать широкий спектр прикладных задач, получать численные, символьные и/или графические результаты. Возможность ис пользования этих встроенных функций без необходимости программирования собственных расчетов как раз и определяет значение MAS в качестве основы создания ИРВС. Кроме того, пользователям MAS предоставляется открытый доступ по сети Интернет к ИРВС без необходимости приобретения лицензион ного ПО. В целях реализации новых возможностей в 2006 году на факультете технической кибернетики СПбГПУ совместно с изве стной компанией SoftLine — лидером в распространении ПО в Российской Федерации — организована Учебнонаучная лабора тория (УНЛ). Основным проектом, развиваемым УНЛ, является проект MathCAD Application Server (см. http://mas.exponenta.ru). С начала сентября 2006 года ведет начало активная фаза проек

418

та, постепенно пополняется перечень интерактивных ресурсов, размещаемых на MAS. В качестве примера таких ресурсов на ри сунке 2 приведено окно masресурса, аналогичного локальному ресурсу, представленному на рисунке 1. Этот ресурс размещен в рубрике «Теория регулирова ния/элементарные звенья/колебательное звено второго поряд ка» сайта http://mas.exponenta.ru. Пользователю предоставляется возможность ввести значе ния параметров звена в окна текстбоксов и нажать на кнопку Recalculate для пересчета задачи. В результате ее решения полу чаем аналитические зависимости для переходных характерис тик, числовые значения параметров переходного процесса, зна чения корней звена, а также графики процессов и расположе ния корней. Подобные ресурсы могут иметь индикаторы правильности ввода данных (на рисунке 2 — Note), которые призваны предупреждать пользователя, например, о несогласо ванности размерностей массивов данных, вырожденности ис ходных матриц, несоответствии введенных параметров приня тым ограничениям и пр. При подготовке ИРВС к размещению на MAS такие ресур сы целесообразно сопровождать комментариями, с помощью которых пользователь может проникнуть в теоретические осно вы рассматриваемой задачи и понять отдельные обозначения, принятые в ресурсе. Эти комментарии могут размещаться как в теле ресурса, так и в виде отдельных файлов, доступ к которым осуществляется посредством гиперссылок. Исходные данные в форме массивов могут вводиться в mas ресурсах и посредством строковых функций с разделением чи сел запятыми с пробелами или без них. Пример такого ресурса приведен на рисунке 3. В скрытой зоне исходного MathCADфайла (эти зоны, как отмечалось, не выводятся на MAS) размещены алгоритмы преоб разования строковых функций в матрицу А и вектор В, проце дуры обобщенного обращения прямоугольных матриц и вычис ления остаточных невязок (проверка), а также формирования указания пользователю (Note). Подготовка исходных для ИРВС MathCADфайлов к разме щению на MAS осуществляется по правилам, которые описаны в рубрике «Скачать инструкцию» сайта http://mas.exponenta.ru. В инструкции подробно изложены несложные приемы подготов ки masресурсов. Существенно то, что эта подготовка должна вестись с применением версий MathCAD, начиная с MathCAD 11.1 Enterprise Edition и выше, т. е. 12, 13 и т. д. Только перечислен ные версии имеют органы управления (кнопки, текстбоксы и пр.), предназначенные для реализации в Интернете диалога с пользователем. Эти органы управления вызываются в исходном mcdдоку менте активизацией Insert/Control/Web Control. При этом появ

419

Рис. 2. Пример masресурса с вводом данных посредством текст боксов

420

Рис. 3. Пример masресурса с вводом чисел и строковых функций в текстбоксы

ляется диалоговое окно Web Control Setup Wizard (рис. 4). Пер вые четыре позиции правой части окна предназначены для вы бора необходимого органа управления; последняя позиция (Submit button) используется для вызова кнопки Recalculate. При подготовке masресурсов наиболее часто используются Text box и List box/combo box. Завершение подготовки исходного MathCADфайла произво дится форматированием отдельных частей документа — выбором размера шрифтов (обычно 12 пт), заливкой и обрамлением фраг ментов, их взаимным размещением, функциональным выбором

421

Рис. 4. Окно выбора webорганов управления

диапазонов осей на графиках. Последнее замечание очень важно, поскольку графики должны быть информативны при произволь ных данных, которые могут вводиться пользователем. Чтобы подготовленный ресурс при его размещении на MAS не вызывал появления горизонтальной полосы прокрутки, материал открытой части документа должен быть расположен в пределах окна. Закрытой части (Area) это замечание не ка сается. Практическое применение MAS, помимо отмеченных выше достоинств использования СКМ, позволяет: ● ● ●

● ●

●

422

сформировать интернетресурсы необходимого содержа ния и обеспечить открытый удаленный доступ к ним; снять ограничения на алгоритмическую сложность задач; обеспечить учебный процесс интерактивными ресурсами по любому направлению и дисциплине (в том числе и не техническим дисциплинам) без использования лицензион ного специального ПО; создать типовые наборы лабораторных работ, тестовых и контрольных заданий; использовать богатый арсенал встроенных функций СКМ, операторов символьных вычислений, процедуры построе ния 2D и 3Dграфиков; автоматизировать вычислительные процессы и выполнение больших объемов вычислений научного и/или производ ственного характера;

обеспечить возможность разработки корпоративных про ектов путем объединения усилий территориально разоб щенных участников; ● создавать автоматизированные системы тестирования для самоконтроля обучающихся (абитуриентов), контроля зна ний в процессе обучения, проведения конкурсов и олим пиад (случайный выбор заданий). Перечень достоинств подобных ИРВС может быть продол жен в результате расширения функциональности серверов типа MAS в плане, например, импорта больших массивов данных и экспорта массивоврезультатов без операций со строковыми функциями. Подобная технология прорабатывается в УНЛ в нас тоящее время. Представляется, что использование мощных вычислитель ных ресурсов СКМ позволит решить серьезную проблему созда ния алгоритмически сложных образовательных ресурсов для системы высшего образования (технические, математические, экономические вузы). В этом смысле подход к созданию инте рактивных ресурсов высокой сложности на основе СКМ являет ся безальтернативным. ●

Литература 1. Ивановский Р. И. Интерактивные образовательные ресур сы и проблема качества образования / Р. И. Ивановский // Компьютерные инструменты в образовании. — 2003. — № 5. 2. Федеральный естественнонаучный образовательный пор тал как часть единой интернетсистемы «Российское образова ние» / В. Н. Васильев, С. К. Стафеев, А. В. Селиверстов [и др.] // «Телематика’2003» (14—17 апреля 2003 г., СанктПетербург). — Т. 1. — СПб, 2003. 3. Христочевский С. А. Электронный учебник — текущее состояние / С. А. Христочевский // Компьютерные инструменты в образовании. — 2001. — № 6. 4. Методология построения порталов системы образования / А. Н. Тихонов, А. Д. Иванников, Ю. Л. Ижванов [и др.] // «Теле матика’2003». — (14—17 апреля 2003 г., СанктПетербург). — Т. 1. — СПб, 2003. 5. Карпов Ю. Г. Имитационное моделирование систем. Вве дение в моделирование с AnyLogic 5 / Ю. Г. Карпов. — СПб.: БХВ Петербург, 2005. 6. Ивановский Р. И. Значение программных систем компью терной математики в математическом образовании / Р. И. Ива новский // Сб. материалов выездного заседания НМС по мате матике Министерства образования и науки Российской Федера ции. — Набережные Челны, 2006.

423

7. Ивановский Р. И. Компьютерные технологии в науке и об разовании: практика применения систем MathCAD Pro: учеб. по собие / Р. И. Ивановский. — М.: Высшая школа, 2003. 8. Очков В. Ф. Mathcad 12 для студентов и инженеров / В. Ф. Очков. — СПб.: БХВПетербург, 2005. 9. Очков В. Ф. MAS на занятиях по математике, физике, ин форматике… / В. Ф. Очков // Компьютерные учебные програм мы и инновации. — 2006. — № 2. 10. Очков В. Ф. MA и MAS: проблемы и решения при созда нии webресурсов сферы образования / В. Ф. Очков // Вопросы Интернетобразования. — 2005. — № 29.