Генерация учебно-тренировочных задач
на основе модели, представляющей информацию о значениях свойств
изучаемых объектов

 

А.А. Агеев

 

 

(Москва, Московский энергетический институт (Технический университет), Россия)

 

 

 

 

 

Компьютерные средства обучения (КСО) составляют важнейшую часть современной системы обучения и тренинга  в процессе обучения в самых разных отраслях знаний и практической деятельности.  Одна из самых важных и эффективных возможностей КСО – функция контролирования знаний обучающегося при помощи учебно-тренировочных задач (УТЗ). КСО, генерирующие УТЗ, встречаются в настоящее время нечасто. Главная причина этого заключается в отсутствии развитого авторского инструментария, обеспечивающего воплощение  функций генерации либо вообще без программирования (т. е. полностью на основе технологий визуальной разработки), либо требующие программирования в минимальном объеме. Немногие средства, позволяющие создавать генерирующие КСО, не обладают инвариантностью к предметной области. Последнее означает, что их возможности ограничены генерацией типовых УТЗ, актуальных для определенных дисциплин или их разделов (например, механики, линейной алгебры, лексики какого-либо иностранного языка и т.д.). В результате авторы, желающие обогатить КСО функциями генерации, как правило, сталкиваются с необходимостью оригинальной реализации соответствующих механизмов, что требует участия в проекте квалифицированных программистов. Поскольку на сегодняшний день отсутствует инвариантная к предметной области методология построения генерирующих КСО, даже для классных программистов данная задача не является тривиальной.

В данной работе рассматривается один из инвариантных к предметной области алгоритмов генерации УТЗ – алгоритм генерации УТЗ на основе модели M_tg5 или алгоритм генерации УТЗ на основе информации о значениях свойств объектов. Этот алгоритм был впервые предложен в монографии Башмакова А.И. и Башмакова И.А. [1].

Модель M_tg5, формируемая на базе таблицы или описания, в которых отражены значения свойств, характеризующих множество однородных объектов предметной области, обеспечивает широкие возможности для генерации задач.

На верхнем уровне модель M_tg5 имеет следующее представление:

M_tg5 = (A, C, Str(M_s), Val(M_s), Int(M_s), V, ),

где:

A – цель (что требуется от обучаемого,  какую деятельность необходимо выполнить);

C – ограничения, которые должны быть учтены при выполнении УТЗ;

M_s – модель ситуации;

Str(M_s) – структура модели ситуации;

Val(M_s) – значения параметров модели ситуации;

Int(M_s)) – интерпретация модели ситуации;

 - обозначает неиспользуемый компонент модели.

В M_tg5 Str(M_s) включает четыре компонента:

Str(M_s) = (E, P, Z, Z_r),

где:

E – множество объектов предметной области; E = {e_i | i = 1, 2, … , k_e}; e_i – i-й элемент; k_e – количество объектов, k_e ≥ 1;

P – множество свойств, характеризующих объекты из E; P = {p_i | i = 1, 2, … , k_p}; p_i – i-е свойство; k_p – количество свойств; k_p ≥ 1;

Z = ||z_ij|| - матрица размерности k_e х k_p, строки которой соответствуют объектам, столбцы – свойствам, а элементами являются значения этих свойств;

Z_r = (z_r.1, … , z_r.kp) – кортеж длины k_p, компонентами которого служат признаки, определяющие cпоcобы представления значений свойств.

k_e и k_p связывает соотношение: k_e + k_p > 2.

Каждое свойство (столбец Z) ассоциируется со способом представления его значений (типом данных), фиксируемым соответствующим признаком из Z_r. К числу базовых способов относятся выражения элементов Z числами, символьными строками и списками (множествами).

Val(M_s) в рамках M_tg5 специфицирует кортеж:

Val(M_s) = (k₁, k₂, E_s, u_se),

где:

k₁ – индекс выбранного свойства или первого выбранного объекта;

k₂ – индекс второго выбранного объекта или количество объектов, фигурирующих в постановке задачи;

E_s вложено в E – подмножество объектов, фигурирующих в постановке задачи; |E_s| > 1;

u_se – условие выборки объектов.

Модель M_tg5 позволяет генерировать 15 типов задач.

Таблицы для генератора хранятся в базе данных. Специфика генератора УТЗ на основе модели M_tg5 такова, что таблицы  базы данных должны в основном содержать числовую информацию. Для генерации задач по конкретной предметной области программе  необходимы две таблицы в БД: в основной хранятся компоненты E и Z из Str(M_s), во вспомогательной – оставшиеся два компонента структуры.

В базе данных также находится служебная таблица, где хранятся названия объектов и свойств в разных падежах, используемые для построения окончательного варианта формулировки конкретной УТЗ. Для базы данных была выбрана СУБД Microsoft SQL Server 2000.

Программная реализация генератора УТЗ на основе модели M_tg5 осуществлена в проекте Mtg5. Этот проект компилируется в библиотеку динамической компоновки (dll). Проект создан в среде Microsoft Visual Studio.NET на языке программирования C#. Классы проекта позволяют выполнять следующие задачи:

•         Установление соединения с БД.

•         Загрузка структуры модели.

•         Генерация всех 15 типов задач модели M_tg5. Результатом работы генератора будет один из классов, представляющий сгенерированные УТЗ.

•         Группирование сгенерированных УТЗ в коллекции задач. Коллекция задач – множество УТЗ, объединенных по какому-либо критерию.

•         Сохранение коллекций УТЗ в формат SOAP.

•         Загрузка коллекций УТЗ из формата SOAP.

•         Сохранение коллекций УТЗ в текстовый формат.

В ходе выполнения работы было создано приложение-интерфейс для генератора Hafolus Project First. Это приложение имеет дружественный пользовательский интерфейс, ориентированный на пользователей-непрограммистов. Приложение позволяет установить соединение с БД, задать параметры генерации и  сгенерировать коллекции УТЗ.

Основное окно приложения состоит из трех частей: окна представления задач, дерева коллекций задач и консоли вывода.

Окно представления задач служит для отображения условий задач,  выбора пользователем ответа на задачу. После ответа на коллекцию задач в нем отображается статистика по ней, где выводится информация, которую полезно представлять в процессе работы с задачами: общее количество задач в коллекции, количество правильных, ошибочных и абсурдных ответов, данных пользователем и общее время, затраченное на ответ.

Дерево коллекций задач служит для манипулирования с  файлами коллекций задач и загрузки коллекций на выполнение. Оно позволяет удалять и переименовывать коллекции задач, а также выдавать в окне Блокнота Windows детальную информацию по всем задачам коллекции.

В консоль вывода выводится информация по представляемой сейчас в окне представления задаче и другая служебная информация.

Приложение Hafolus Project First также позволяет посмотреть все таблицы БД.

В данной работе был предложен и реализован один из инвариантных методов генерации УТЗ – метод генерации УТЗ на основе модели M_tg5, а также создано приложение-интерфейс, демонстрирующее его работу. Входные данные генератора берутся из числовых таблиц БД, а таблицы БД легко изменять и модифицировать. Все таблицы имеют одну и ту же структуру, поэтому легко можно создать такую таблицу практически по любой предметной области. Сгенерированные коллекции задач сохраняются в файлах XML формата, который является стандартным средством для хранения данных, обеспечивая легкость восприятия, модификации и переносимости данных.

Отметим возможные применения разработанных средств:

·        Mtg5.dll может подключаться к КСО и производить генерацию коллекций задач по запросу системы тестирования «на лету».

·        Используя визуальные средства приложения Hafolus Project First можно производить генерацию коллекций задач, задавая параметры генерации, проверять их работоспособность и сохранять на жесткий диск в формате XML. КСО, зная формат, в котором сохраняются коллекции, сможет прочитать их и использовать при тестировании обучающихся.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1.     Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. – М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 2003. – 616 с.