ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - СОФИЯ

ФЕТТ, КАТЕДРА МИКРОЕЛЕКТРОНИКА

инж. Димитър Михайлов Токмаков

РАЗПРЕДЕЛЕНA ИНТЕРНЕТ БАЗИРАНA СРЕДA ЗА ПОДПОМАГАНЕ НА ОБУЧЕНИЕТО В ИНЖЕНЕРНОТО ОБРАЗОВАНИЕ

AВТОРЕФЕРАТ

на дисертацияза придобиване на образователна и научна степен “Доктор”

Научен ръководител: доц. д-р Славка Цанова

София 2011 г.

ОБЩА ХАРАКТЕРИСИТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Актуалност на проблема

Съвременното развитие на информационните и комуникационните технологии, както и системите за разпределена обработка на информацията превърнаха средите за електронно обучение (e-learning environments) в широко използвани инструменти за обучение в световен мащаб. Илюстрация на тази теза са придобилите широка популярност системи за управление на обучението (Learning Management Systems) като Blackboard, WebCT , COSE , Moodle , IPSS_EE и много други. Средите и системите за електронно обучение осигуряват ред предимства пред традиционните методи на обучение като дават възможност за обучение без класни стаи и точно фиксирано разписание на учебните занятия, предлагат гъвкавост на учебното съдържание по определена дисциплина, мобилност на учащите се, възможност за избор на различни стилове на обучение, както и възможност за обучение през целия живот на човека (lifelong learning).

Методите и средствата за електронно обучение са намерили широко приложение в индустриалния и корпоративния сектор, в малките и средни предприятия и особено в секторите с изключително бурно технологично развитие като информационни технологии, електронна и компютърна техника, комуникационни технологии. Всички големи технологични гиганти като IBM, HP, SIEMENS, INTEL, CISCO използват програми за електронно обучение и системи за подпомагане на своите служители и работници.

Две от най-съществените промени в образованието въвеждайки електронно обучение са нарастващата роля на виртуалните общности, (virtual communities) които допълват традиционните методи в обучението, и нарастващата роля на базираните на знания системи използвани чрез разпределени среди.

Проведените научни изследвания и експерименти в областта на интернет базираните среди за подпомагане на изпълнението на задачи в инженерното образование (Internet performance support systems with educational elements – IPSS_EE), показват че това е една от най-напредналите концепции на приложение на електронното обучение в образованието. IPSS_EE осигурява незабавен индивидуален “онлайн” достъп до цялата информация, софтуер, ръководства, съвети, инструменти, оценяващи и контролиращи модули, позволяващи на работещия да изпълни предварително поставена от инструктора задача с минимална външна помощ и намеса.

Вграждането на принципите на IPSS_EE в дадена образователна система предлага нови възможности за организациите занимаващи се с образование и обучение, и води до принципни промени в подготовката на инструкциите за материалите на даден курс.

В последно време се изследват методите и средствата за така нареченото разпределено електронно обучение (distributed e-learning) и мрежово свързано обучение (networked e-learning).

Разпределеното и мрежово свързаното електронно обучение осигуряват на обучаемите структурирана помощ , примери, информация за най-добри практики в изпълнението на дадена задача, демонстрации, процедури и софтуерни симулации, в повечето случаи от географски разпределени източници без времеви и пространствени ограничения. Разпределеното и мрежово свързано обучение подпомагат създаването и споделянето на образователни ресурси във вид на образователни обекти (learning objects) за целите на висшето и професионално образование. Разпределеното електронно обучение насърчава възможностите за сътрудничество между педагози, изследователи и обучаеми давайки им следните възможности:

2

• да участват в образователни общности (knowledge communities)• да комуникират с експерти в областта на обучение• да обменят образователни ресурси и обекти• да работят заедно в създаването на образователен материал като лекции,

упражнения,симулации тестове,модули и др.• да доставят разпределени образователни дейности – лекции, курсове, семинари, дискусии

и др.В настоящата работа се изследва и прилага принципа на разпределеното образование и

обучение в контекста на IPSS_EE средите, както и приложението му във висшето инженерно образование и професионалното обучение в индустриалния и корпоративния сектор. Изследват се също така и методите за транспортиране на електронно съдържание между комуникационен сървър и локални IPSS_EE сървъри през комуникационна среда Интернет, както и методи за съхранение, класифициране и търсене на образователни ресурси в единно хранилище на IPSS_EE образователни ресурси (learning object repository).

Разпределената IPSS_EE среда трябва да осигурява условия за адаптиране на електронното съдържание към индивидуалните характеристики на обучаемия, такива като начално ниво на обучение, различни стилове на обучение, познавателно натоварване и индивидуализация.

Прилагането на принципите на разпределените среди за електронно обучение в едно с IPSS_EE и използването на хранилище за образователни обекти поддържано в единен комуникационен сървър би довело до нови възможности и предимства в съвременните образователни системи.

Цел на дисертационния труд

Целта на дисертационния труд е дефиниране, разработване и изследване на разпределена система за индивидуално обучение базирана на прилагане на концепцията на IPSS_EE в сферата на международното университетско образование.Изследването на система за разпределеното обучение, което е базирано на идеята за разпределено познание в контекста на използване на концепцията на IPSS_EE във висшето образование, цели осигуряването на нови перспективи и възможности на класическите дистанционно и електронно обучение.

Основните аспекти на изследването са разделени в две основни направления: • проектиране и създаване на разпределена многослойна клиент-сървър архитектура на

базата на която да бъде реализирана разпределената среда за подпомагане на обучението.• технологично – проектиране, реализация, внедряване и изпитване на разпределена

система за обучение базирана на програмна среда която е разпределена географски в няколко подчинени IPSS_EE сървъри и единен комуникационен сървър координиращ всички дейности свързани с подготовката,класификацията и доставката на образователното съдържание до потребителите на средата.

Задачи на дисертационния труд1.Усъвършенстване на IPSS_EE модела към DIPSS модел2.Дефиниране на теоретичните основи на Адаптивния Системен Модел (Adaptive System

Model – ASM);3. Интегриране на DIPSS и ASM в обща DIPSEIL рамка4.Проектиране на многослойна мрежова клиент-сървър архитектура и разполагане в нея

на основните услуги предлагани от DIPSEIL.

3

5.Разработване на прототип на DIPSEIL и оценяването му чрез провеждане на обучение по инженерни дисциплини в разпределената среда в 5 европейски университета.

Системата, описана в този материал е разработена в рамките на международен проект “Distributed Internet-based Performance Support Environment for Individualized Learning” –DIPSEIL- No.225692-CP-1-2005-1-BG-MINERVA_M по програмата Socrates-Minerva към Европейския съюз. Партньори в проекта са следните учебни заведения:

• Пловдивски Университет “Паисий Хилендарски”-Пловдив, България;• Технически Университет - София, България;• Национален университет за дистанционно обучение – Мадрид, Испания (National

university for Distance Education, (UNED) http://www.uned.es• Технологичен институт Корк, Ирландия (Cork Institute of Technology, Ireland (DEIS) www-

deis.cit.ie)• Отворен университет в Холандия(Open University of the Netherlands (OUN)

http://www.ou.nl)• Национален политехнически институт – Гренобъл, Франция (National Polytechnical

Institut of Grenoble, (SIME) http://www.inpg.fr)

НАУЧНИ И НАУЧНО-ПРИЛОЖНИ ПРИНОСИ

В изпълнение на целта на дисертационния труд и поставените задачи, са получени следните резултати:

1.Изследвани бяха основните методи и средства за проектиране на разпределени информационни системи, както и изискванията към тях и бяха дефинирани основните характеристики на една успешна разпределена електронна информационна система като: използване на многослойна клиент-сървър архитектура, при която третия слой се разслоява на множество слоеве, които отговарят за така наречената оперативна логика на цялата система;изискване за административна и географска скалируемост;липса на едновременност и паралелност при работата на географски разпределената информационна система;осигуряване на механизъм за взаимно изключване по време, липса на репликации между сървърите за бази данни и съревнование между възлите на системата.

2.Проучени са стандартите за съвременни технологично-базирани образователни среди като такива за учебно съдържание, за обучаемите, за взаимодействие.Показани са основните изисквания на IEEE LTSA към една съвременна среда за обучение и описано как се отнасят тези изисквания към физическото разпределение на образователното съдържание. Направеното проучване показва, че няма разработени технологично-базирани системи за обучение на студенти, които да са географски разпределени и комуникацията между отделните компоненти на архитектурата да става през Интернет.

3.В хода на дефиниране и проектиране на DIPSEIL бе създаден разпределения DIPSS модел като еволюция на IPSS_EE модела.

4.Разработен е концептуалният модел на DIPSEIL адресиращ изискванията на IEEE LTSA и физическото и географско разпределение на образователното съдържание.

5.Разработен е функционален модел на DIPSEIL, на който функционалността е вградена в средните слоеве на многослойната клиент-сървър архитектура.

6.Разработени са моделите на образователните обекти използвани в DIPSEIL, адаптивния системен модел и модела на последователност и навигация на образователното съдържание.

4

7.Проектирана е многослойна мрежова клиент-сървър архитектура в средните слоеве на която са разположени основните услуги и функционалности предлагани от DIPSEIL.

8.Разработен е прототип на DIPSEIL, внедрен е в практиката и е извършено оценяването му чрез експериментиране със студенти по инженерни дисциплини в международна университетска среда.

ПРАКТИЧЕСКА ПРИЛОЖИМОСТ НА РЕЗУЛТАТИТЕ

Резултатите от дисертационния труд са намерили практическо приложение при проектирането, разработването и внедряването на разпределената среда за индивидуализирано обучение DIPSEIL.

От внедряването през 2005г. със средата DIPSEIL се обучават студенти от инженерни дисциплини в Пловдивския университет в областта на Електрониката, Аналоговата и Цифровата схемотехника, информатика, информационни технологии, компютърни мрежи, микропроцесорна техника и други.

DIPSEIL се използва и като основна среда за обучение на студенти от международна магистърска програма по "Информационни и комуникационни системи" с участието на 5 европейски университета по проекта IPLECS на програма ERASMUS на Европейския съюз.

ПУБЛИКАЦИИ

Основните теоретични и приложни резултати от дисертационния труд са представени в 8 публикации: една в списане Електротехника и Електроника (Е+Е), три на международната конференция Електронна Техника в Созопол, 2 доклада на медународни конференции в Австрия и Испания, една публикация в сборник научни трудове на ПУ П.Хилендарски и един доклад на национална конференция по въпросите на обучението по Физика.

ОБЕМ ИСТРУКТУРА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Дисертационният труд съдържа заглавна страница, съдържание, увод, изложение представено в 4 глави, заключение с резюме за получените резултати с декларация за оригиналност и библиография представени в 151 страници.

5

КРАТКО СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИЯТА

ГЛАВА1.РАЗПРЕДЕЛЕНИ КОМПЮТЪРНИ СИСТЕМИ

1.1Разпределена обработка на информацията.Разпределената обработка на информацията е програмна парадигма фокусирана върху

разработката на разпределени, отворени, скалируеми, толерантни към грешки и прозрачни системи.Тази парадигма е естествен резултат от използването на компютрите в компютърните мрежи.

Разпределената обработка на информацията е децентрализирана и в повечето случаи представлява паралелна обработка, използваща две или повече компютърни системи, комуникиращи през компютърна мрежа за изпълнението на обща цел или задача.Типовете на използваните хардуер, програмни езици, операционни системи и ресурси може да варира драстично.Разпределената обработка на информацията е подобна на компютърните клъстери, с главната разлика че при нея имаме географско разпределение на ресурсите.

1.2 Предимства на разпределените системи за обработка на информацията.Съществуват много различни типове разпределени компютърни системи, като за всеки

тип има много предизвикателства при проектирането на успешна система. Основната цел на всяка разпределена система за обработка на информацията е да свърже потребителите и ресурсите по прозрачен, отворен и скалируем начин.По този начин се получава резултатна система, която е много по-толерантна към грешки и сривове в сравнение с много не разпределени системи за обработка. Разпределените системи за обработка на информацията притежават следните основни предимства:

• Отворени системи – свойство определящо възможността на всяка подсистема да бъде постоянно отворена за взаимодействие с други системи.Така например чрез използването на стандартите и протоколите за уеб-услуги се дава възможност на разпределените системи да бъдат разширявани без да е необходима промяна в архитектурата на цялата система.

• Скалируемост – В областта на телекомуникациите и софтуерното инженерство, скалируемостта се определя като желано свойство на дадена система, компютърна мрежа или програмен процес успешно да управлява повишаването на натоварването чрез добавяне на нови ресурси в системата.

1.3 Недостатъци на разпределените системи за обработка на информацията.Ако не е проектирана правилно, една разпределена система за обработка на

информацията би могла да влоши общата производителност и надеждност например при невъзможността на някои от разпределените възли да комуникира с цялата система. Изключването на един възел от системата би могло да доведе срив и на другите възли ако не са взети специални мерки гарантиращи целостта при частичен срив.

1.4 Архитектури за разпределени системи за обработка на информацията.Различни хардуерни и софтуерни архитектури се използват при разпределените

компютърни системи.На по-високо ниво от организацията на изчислителния процес и паралелната обработка е

необходимо да се въведат различни процеси на обработка чрез логическа или хардуерна система за обмен на данни.

6

Архитектурите на разпределените системи за обработка се класифицират в следните основни категории: клиент-сървър, 3-слойна архитектура, N-слойна архитектура, разпределени обекти, свободно свързани и тясно свързани архитектури:

• Клиент-сървър – при тази архитектура малък клиентски код контактува със сървъра, обменя с него данни, след това ги форматира и ги представя на потребителя в подходящ формат.Входните данни от клиента се предават към сървъра, обработват се и се връщат обратно при клиента.

• 3-слойна архитектура – при тази архитектура клиентските данни се придвижват и обработват в междинен среден слой, така че опростени клиентски приложения могат да бъдат използвани в разпределената среда.

• N-слойна (многослойна) архитектура – тя е типична за съвременните уеб приложения, особено тези използващи уеб услуги, като чрез нея определени специфични заявки за обработка се предават към специализирани сървъри за приложения, като резултата се връща при клиента през третия слой за комуникация и обработка.

• Възел-до-възел (peer-to-peer) – архитектура при която няма специализиран изчислителен ресурс (компютър,сървър), който да контролира услугите, изчислителния процес или мрежовите ресурси.При тази архитектура отговорността за консистентността на разпределената среда и правилното и функциониране е разпределена между отделните възли.

1.5.Разпределени системи от бази данни.Разпределените системи от бази данни съчетават предимствата на разпределените

системи за обработка на информацията и сървърите за управление на релационни бази данни. Разпределените системи от бази данни се дефинират като колекция от множество логически свързани по-между си бази данни, разпределени и свързани чрез компютърна мрежа плюс разпределена система за управление на ресурсите на разпределената база данни като управляващ софтуерен компонент.По този начин разпределената същност на системата от бази данни е прозрачна за потребителя

Основните предимства на разпределените бази данни са:• Разпределена или мрежова прозрачност – определя освобождаването на потребителя от

дейности свързани с подробности по управлението на данните по мрежата.Мрежовата прозрачност се разделя на прозрачност по местоположение на данните в разпределената среда.

• Прозрачност на репликациите – копия на едни и същи данни могат да съществуват в разпределената среда на множество места в системата с цел подобряване на времето за достъп до тях, изпълнението на заявките до тях и общо повишаване на надеждността.

1.6 Допълнителни функционалности на системите за разпределени бази данни.Разпределеният характер на тези системи води до повишена сложност при проектирането

на системата и нейната реализация.За да се постигнат предимствата описани по-горе, системите за разпределени бази данни трябва да осигуряват следните допълнителни функционалности в сравнение с централизираните бази данни:

• Проследяване местоположението на данните;• Разпределено управление на заявките;• Разпределено управление на транзакциите;

• Управление на репликацията на данните;• Възстановяване на разпределената система от бази данни;

7

• Мерки за управление на сигурността на данните;• Управление на разпределени директории: Директорията съдържа информация

(метаданни) за самите данни. Тези допълнителни функционалности увеличават общата сложност на системите за

разпределени бази данни. На физическо хардуерно ниво следните фактори отличават системите за разпределени

бази данни от централизираните:• Имаме множество компютри(сървъри) наречени възли.• Тези възли трябва да бъдат свързани помежду си с някакъв вид комуникационна мрежа с

цел предаване на данните и командите към разпределените възли.Разпределените възли могат да бъдат разположени физически близко – например в

рамките на една сграда и свързани чрез локална компютърна мрежа или могат да бъдат географски разпределени на големи разстояния(различни държави, континенти) и свързани помежду си с глобална компютърна мрежа или интернет.

1.7 Изводи от прегледа на основните характеристики на разпределената обработка на информацията

В момента най-разпространената клиент-сървър архитектура използвана в съвременните информационни системи и уеб базирани такива е т.нар. двуслойна архитектура.При тази архитектура сървъра (сървърите) съхраняват данните, а клиента чрез подходящи заявки към тези сървъри получава достъп до данните.

За съвременното развитие на разпределената обработка на информацията голямо приложение биха намерили многослойните клиент-сървър архитектури, при които бизнес правилата се разполагат в множество слоеве , в които се управлява и преноса на информационните потоци.

Основните изводи от проучването на разпределените системи за обработка на информацията са:

1.Използване на многослойна клиент-сървър архитектура, при която третия слой се разслоява на множество словеве, които отговарят за така наречената оперативна логика на цялата система

2.Ясно се очертава необходимостта от разработването на прозрачни и толерантни към грешки разпределени информационни системи

3.Изискване за административна и географска скалируемост4.Липса на едновремнност и паралелност при работата на географски разпределената

информационна система5.Осигуряване на механизъм за взаимно изключване по време, липса на репликации

между сървърите за бази данни и съревнование между възлите на системата

ГЛАВА2. ТЕХНОЛОГИЧНО БАЗИРАНИ ОБРАЗОВАТЕЛНИ СРЕДИ. АРХИТЕКТУРИ, СТАНДАРТИ, ТЕХНОЛОГИИ.

Целта на този раздел е да се направи преглед на съвременните авангардни принципи, модели, стандарти и технологии за проектиране на технологично-базирани образователни среди.

Електронно обучение (e-learning)Заедно с термина “образователни технологии”, електронното обучение описва обучение,

което използва нови и съвременни технологии в учебния процес но с доста по-широки измерения в сравнение с компютърно базираното обучение и интернет базираното обучение. В

8

случаите когато се използват и мобилни технологии за доставяне на образователно съдържание се използва и термина мобилно обучение (m-learning).

За целите на електронното обучение се налага образователното съдържание да бъде пакетирано и комбинирано в електронен вид , за да може ефективно да бъде събирано, доставяно, управлявано и използвано.

Архитектури и технологии за технологично базирани образователни средиАрхитектурата на системите за електронно обучение включва три основни компонента:

• Инфраструктура• Съдържание• Услуги

Инфраструктура. Представлява приложен софтуер, работещ самостоятелно върху компютър или мрежово ориентиран върху сървър, който позволява всички аспекти на обучението, от класната стая до електронната среда, да бъдат, управлявани, създавани, доставяни и оценявани.

Съдържание. Система за управление и съхраняване на съдържанието.Тук са поместени основните системи за бази данни, хранилища за образователни обекти и дейности, както и данните за самите обучаеми.

За една организация изискванията към образователното съдържание се променят в зависимост от предметната област, предпочитания формат (текст, видео,симулации) и използвания език. Тези изисквания водят и до необходимост за разпределяне на образователните ресурси, географски, и организационно.

Услуги. Успешното прилагане на технологиите за електронно обучение изисква:• Планиране на образователните дейности и сценарии• Изработване на съответните приложения• Интегриране на системните компоненти• Управление на образователния процес

Система за управление на обучението (LMS):• Администрация на дейностите свързани с обучението• Доставяне на образователно съдържание• Потребителски интерфейси за обучение• База данни със записи студентите и предадените от тях работи• Управление и оценяване на компетентност• Откриване и анализ на пропуски в уменията и знанията• Взаимна връзка с LCMS, комуникационна област и други корпоративни приложения и

мрежиСистема за управление на учебното съдържание (LCMS) LCMS се дефинира като система за създаване, съхранение, асемблиране и доставяне на

персонализирано съдържание за електронно обучение под формата на стандартни образователни обекти. Практиката обаче показва, че това условие не е задължително, като много от системите използват образователните обекти, които обаче не са стандартизирани. Функционалност:

• Миграция и управление на съдържанието• Хранилище за образователни обекти• Многократно използване на съдържанието и индивидуализиран учебен път • Асинхронно колективно обучение чрез e-mail и дискусионни групи• Тестване и сертификация

9

• Взаимна връзка с LMSСтандарти за технологично базирани образователни средиВ резултат от появата на много нови и разнородни технологии в сферата на електронното

обучение се налага и използването на общи стандарти по прилагането на тези технологии.

PAPIThe Public Аnd Private Information Specification (PAPI) е стандарт за описание на т.нар.

преносими записи за обучаемия (portable learner records) разработен от IEEE.Стандартът специфицира семантиката и синтаксисът на модела на обучаемия.

Структурата на PAPI го прави ориентиран към обмяната на данни между различни образователни електронни информационни системи.Данните могат да бъдат обменяни през външни спецификации, през механизъм за контрол на трансфера който улеснява размяната на данните, както и като комбинация от двете възможности.

SCORM – Sharable Content Object Reference Model Целта на този модел, превърнат по-късно в стандарт е да подпомогне създаването на

многократно-използваемо учебно съдържание под формата на „образователни обекти”, в рамките на обща техническа рамка за компютърно и интернет-базирано обучение. SCORM описва тази техническа рамка чрез предоставяне на стандартен набор от насоки, спецификации и стандарти, базирани на работата на няколко различни организации.

Основните технически детайли на SCORM могат да се намерят в три отделни документа:• Модел за обединяване и натрупване на съдържание (Content Aggregation Model – CАМ)• Среда за доставяне и изпълнение (Run-Time Environment – RTE)• Дефиниране на последователности и навигация (Sequencing & Navigation –SN).

SCORM интегрира в своите спецификации технологични разработки от различни източници и организации като IMS , AICC, ARIADNE и IEEE LTSC.

SCORM Content Aggregation Model (CAM).Моделът за обединяване и натрупване (събиране) на съдържанието описва компонентите използвани в образователната практика, методите за пакетиране на тези елементи с цел лесната им размяна от една електронна образователна среда в друга.

SCORM-метаданните се дефинират като “данни за самите данни” и представляват записи в XML файл в определен формат описващи основни характеристики на образователните обекти като създател, авторски права, дата на създаване, организация на създателя, тема, област и мн. др.

SCОRM-образователният пакет фиг.1 (content package) в общия случай представлява комплект от образователни обекти, метаданни за тях плюс манифест файл описващ организацията създател. Един SCORM пакет може да съдържа цял курс, или отделен урок, или модул от курс или например само картинки които са част от илюстративен материал към даден модул.

SCORM RTE модела описва изискванията към електронната среда за да може тя да обработва SCORM образователни пакети, процеса по съхраняване, търсене и класифициране на образователното съдържание, комуникацията между съдържанието и електронната среда за обучение, както и представянето на образователното съдържание на обучаемия.

SCORM Sequencing and Navigation (SN) модела описва как SCORM приспособено учебно съдържание може да доведе до поредица от много инициирани от системата или от обучаемия събития. Този модел дава възможност за следене и регистриране на поведението на обучаемите и електронната среда за обучение в образователния процес.

10

фиг.1 SCORM образователен пакет

IMS LOMInstructional Management Systems Global Learning Consortium Inc. (IMS)

http://www.imsglobal.org/ създава отворени стандарти и спецификации за подпомагане на онлайн разпределеното обучение..

LOM стандарта дефинира образователните обекти (learning objects) като всяка реално съществуваща единица (обект) цифрова или не, която може да бъде многократно използвана по време на технологично обезпеченото обучение. Примери за технологично обезпечено обучение са системите за компютърно базирано обучение, среди за интерактивно обучение, интелигентни среди за електронно обучение, системи за дистанционно обучение, както и среди за съвместно електронно обучение. Примери за образователни обекти могат да бъдат мултимедийно съдържание, учебно съдържание, образователни задачи, образователен софтуер, софтуер за симулации и др.

Концептуален модел и функционална спецификация на съвременна архитектура за електронно обучение – IEEE LTSA P1484.1

Стандартът и концептуалния модел специфицира високо-технологична архитектура на образователни системи и среди обезпечени със средствата на съвременните информационни технологии. Стандартът покрива голям обхват от системи и компоненти в сферата на образователните технологии: компютърно базираното обучение, компютърно подпомагани инструкции, уеб-базирано обучение, интелигенти тестващи системи и др. Стандартът обезпечава (1) структура за развитието на съществуващи и бъдещи електронни образователни системи, (2) подпомага съвместимостта между отделните системи (лесно пренасяне на образователно съдържание от една система в друга) чрез идентифициране на критичните системни компоненти, (3) осигурява техническа годност на разработваните системи за следващите 5-10 години.

Описанието на слоевете е следното:• Learner and Environment Interactions (Взаимодействие между обучаемите и средата)

- засяга въпроси свързани с усвояването на знания от обучаемите чрез взаимодействие с технологичната образователна среда;

• Learner-Related Design Features (детайли свързани с обучаемите при проектиране на средата) – засяга въпроси свързани с ефекта който оказват обучаемите върху проектирането на високотехнологични образователни системи;

• System Components (Системни компоненти): описва компонентите на високотехнологичната архитектура – задължителен слой;

• Implementation Perspectives and Priorities (Приоритети и перспективи на реализацията): описва технологичните образователни системи отнесени към системните компоненти;

11

• Operational Components and Interoperability (Оперативни компоненти и съвместимост) - кодиране, APIs, протоколи и др.- описва общите "plug-n-play" компоненти свързани със съвместимостта между различните високотехнологични образователни системи;На фиг.2 е показана абстрактна реализация на 5-те слоя от архитектурата като само слой 3

е задължителен за стандарта.

фиг.2 5-слойна архитектура за високотехнологични образователни системиВ заключение трябва да се отбележи че организацията на системните компоненти на

LTSA стандарта представят обща абстракция за изграждане високотехнологични образователни системи. Стандартът представлява архитектурна рамка за инженерно проектиране на високотехнологични образователни системи.

Преглед на съществуващи технологично-базирани системи за електронно обучение.Поради наличието на голям брой авторски технологично-базирани системи за електронно

обучение, както и такива с отворен код, ще се спрем само на някой по-широко използвани такива, чиито реализации са получили голяма популярност.

MOODLE – http://www.moodle.orgMoodle (Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment) е среда за електронно

обучение с отворен код, която е доста подобна на основните комерсиални продукти. Основната разлика е, че Moodle е базирана на теорията за социалния конструкционизъм, така че има специфични модули, които поддържат конструктивисткия подход към обучението и други стандартни модули, които са проектирани да премахнат ограниченията, които създателят на програмата вижда в основните комерсиални продукти.

Около Moodle има цяла общност преподаватели и програмисти от цял свят, така че платформата е в постоянен процес на разработване и обновяване.

Използва се от много университети в цял свят като платформа за е-обучение, web-базирана е и има студентски и препподавателски модул.

ARIADNE Системата ARIADNE е разработена от консорциум с координатор Швейцария в рамките

на проект по 4-тата рамкова програма на Европейския Съюз. Целта на проекта е изграждане на структурна мрежа за разработка на курсове и преподаване от разстояние. Системата включва

12

модел за обучение, методи и средства за преподаване с използване на компютърни и телематични средства. Основната идея е създаването на Knowledge Pool System (KPS) и множество локални системи Local Knowledge Pools (LKP) с цел многократно и съвместно използване на учебни материали, професионални знания и опит.

АрхитектураARIADNE включва следните компоненти:

• Авторски средства за създаване на учебни материали;• Средства за работа с KPS: Генератор на описания на учебните материали (Pedagogical

Header Generator), KPS, Редактор за изграждане на курсове (Curriculum editor), интерфейс за обучаемите (ARIADNE learner interface).

TopClass (http://www.wbtsystems.com/)TopClass представлява система за създаване и обслужване на обучение от тип “виртуална

класна стая“.АрхитектураСистемата е изградена на базата на връзка между Top Class сървър и обектно-ориентирана

база от данни, която съдържа необходимата информация за потребителите на системата, за съдържанието на курсовете и за учебните класове. Това позволява прецизен контрол на достъпа на всеки тип потребител до отделните обекти в базата от данни.

Педагогически моделМоделът за обучение, вграден в системата, се основава на:

• използване на интегрирана учебна среда (от преподавателите и студентите);• управление на учебното съдържание (от преподавателите);• управление на класа (от преподавателите).

Изграждане на курсTopClass предлага добре развити средства за създаване, поддържане на учебните

материали. TopClass включва своя собствена среда (outlining environment), която позволява на авторите на курсове да конструират курса направо по мрежата чрез стандартен Web браузър. Веднъж създаден, курсът може да се модифицира, като се добавят, премахват, преподреждат неговите части. Курсовете се състоят от единици учебен материал (units of learning material – ULM).

WebCT/Blackboard - http://www.blackboard.com/WebCT (Web Course Tools) е система, която подпомага създаването на среди за WWW-

базирано обучение от тип “виртуална класна стая”. Създадена е в Факултета по компютърни науки на Университета в Британска Колумбия.

АрхитектураWebCT представлява съвкупност от CGI скриптове, графични изображения, страници с

форми, Java скрипт и Java аплети, които работят на Web-сървър, и позволяват създаването, използването и поддържането на виртуалната (Web-базирана) класна стая. Тази съвкупност от средства и материали позволява на преподавателя да изгради и управлява учебния процес, а на студентите – да участват в него, като използват предоставените им средства и ресурси.

Основни функции Освен че позволява структуриране на учебните материали, WebCT предлага и набор от

допълнителни средства за изграждане на цялостната среда за провеждане на курс: (навигационни средства, търсене в учебния материал, автоматично генериране на индекс, “календар” на курса, вътрешна електронна поща, конферентна система, “chat”, “виртуален бележник” - за да може всеки обучаем да следи напредъка си, поддържане на “дневник на

13

класа”, организиране на работата върху групови проекти, самопроверка на знанията, автоматично изпитване и др.

Архитектура за е-обучение (http://demlab.tu-sofia.bg/) Архитектурата за електронно обучение (еОбучение) с интегрирана професионална

технология Microsoft Class Server е разработена за целите на проект “Модернизация на висшето образование”

Aрхитектуратa за еОбучение с интегриран Microsoft Class Server се прилага в организацията и администрирането на учебната работа по дисциплините: Теорията на електронните схеми, Аналогова схемотехника I и II част и Électronique analogique в Техническия университет – София, ФЕТТ, НИЛ “Технологии за еОбучение”.

Архитектурата за еОбучение предоставя функции за обслужване на четири основни целеви групи потребители:

- Гост- Студент- Преподавател- Администратор

фиг.3 – Архитектура за е-обучение разработена от НИЛ “Технологии за еОбучение”, ТУ-София.

ИзводиПрегледа на литературния обзор в сферата на технологично-базираните образователни

среди, както и стандартите и технологиите използвани за реализацията им води до следната класификация на стандартите:

1. Стандарти за учебно съдържание• Как да се описва и създава• Как да се пакетира и използва• Как да се проследява процесът на обучение

2. Стандарти за обучаемите• Каква информация да се съхранява

14

• Как да се описват знанията и уменията• Как да се гарантира защита на личните данни

3. Стандарти за взаимодействие• Как да си взаимодействат отделните подсистеми• Взаимодействие с външни системи

Ето защо е добре при проектирането на една съвременна електронна среда за обучение да се акцентира върху съвместимост на архитектурата с препоръките на LTSA и да се реализира духът на стандартите от гледна точка на използване на образователни обекти и възможността за многократното им използване вътре в средата за обучение.

Направеното проучване показва, че няма разработени технологично-базирани системи за обучение на студенти, които да са географски разпределени и комуникацията между отделните компоненти на архитектурата да става през Интернет. Ето защо намираме, че е обоснован опита за изграждане на разпределена интернет базирана среда за за подпомагане на обучението в инженерното образование.

15

Глава 3. Проектиране и разработване на разпределена интернет-базирана среда за подпомагане изпълнението на задачи и индивидуализирано обучение за целите на инженерното образование – DIPSEIL (Distributed Internet based Performance Support Environment for Individualized Learning)

Мотивация при създаването на DIPSEILРазпределената интернет базирана среда за пoдпомагане изпълнението на задачи и

индивидуализирано обучение за целите на инженерното образование (DIPSEIL) http://www.dipseil.net е проект който дефинира,разработва и изследва разпределена система за индивидуализирано обучение, базирана на прилагане на концепцията на Internet Performance Support Systems with Educational Elements (IPSS_EE) - в сферата на международното университетско образование.

DIPSEIL e уеб-базирана електронна софтуерна система, която осигурява управление на образователния процес на изучаване на курсове в различни научни и инженерни дисциплини, базирани както чрез традиционно обучение (в класна стая, лице в лице), така и дистанционно.

Софтуерната среда на DIPSEIL осигурява асинхронна, разпределена географски и отворена информационна система за управление на процеса на учене насочена към всички участници в него: студенти, преподаватели, проектанти на курсове, администратори.

Проектиране и разработване на разпределена Internet-базирана система за подпомагане изпълнението на задачи и индивидуализирано обучение за целите на инженерното образование – DIPSEIL – (Distributed Internet based Performance Support Environment for Individualized Learning).

Главната цел от създаването и използването на DIPSEIL е да се развие и внедри новаторски подход за Internet-базирано обучение, базирано на изпълнението на задачи в инженерното образование, и да се приложи на практика този подход в разпределена географски високотехнологична среда за обучение в сферата на международното университетско образование. Инженерното обучение съчетава практика и симулация на реални процеси, включва използването и прилагането на умения за откриване и вземане на решения, умения да се мисли ефективно. Обучението чрез използване на DIPSEIL акцентува върху активността на студентите и самостоятелното учене, подпомагано от инструкции за изпълнение на задачите, обучаващи материали, допълнителни ресурси, експертни съвети, критерии за само оценка

При проектирането и разработването на ефективна разпределена интернет-базирана среда за подпомагане на изпълнението на задачи и индивидуализирано обучение е необходимо да се съобразим с получените изводи от разглеждането на разпределените компютърни системи заедно със стандартите и технологиите използвани при технологично-базираните образователни среди.При проектирането на DISPEIL трябва да се вземе предвид следното:

• Използване на многослойна клиент-сървър архитектура, при която третия слой се разслоява на множество слоеве, които отговеят за така наречената оперативна логика на цялата система;

• Осигуряване на административна и географска скалируемостЛипса на едновремнност и паралелност при работата на географски разпределената информационна система;

• Осигуряване на механизъм за взаимно изключване по време, липса на репликации между сървърите за бази данни и съревнование между възлите на системата;

От гледна точка на концептуалния модел и функционалната спецификация на съвременна архитектура за електронно обучение според LTSA - трябва да се осигури използването на 3 основни процеса– преподаване, оценяване и доставяне на образователно съдържание, както и на поне 2 цифрови хранилища – за обучаемите и за образователни обекти изграждащи

16

образователното съдържание.По този начин ще осигурим възможност за еволюция на вече разработения IPSS_EE модел към разпределен DIPSS такъв, който да бъде агрегация от следните модели:

• Концептуален модел на DIPSEIL адресиращ изискванията на IEEE LTSA• Функционален модел на DIPSEIL адресиращ изискванията на IEEE LTSA• Модел на образователните обекти използвани в DIPSEIL – IPSS_EE_Los• Адаптивен системен модел на DIPSEIL• Модел на последователност и навигация на образователното съдържание S&N модел

На базата на тази агрегация ще се проектира функционална и мрежова архитектура чрез която ще се създаде разпределената среда за обучение.

При проектирането на DIPSEIL ще се съобразим с принципите на Beacham (1995) за разпределени през компютърна мрежа среди за подпомагане на изпълнението на задачи и приложени в университетско обучение:

1.При проектирането на разпределена среда да се осигурят вградени автоматизирани инструменти, които да улеснят обучаемите в изпълнението на задачите, като по този начин се изграждат практически ориентирани способности в областта на обучение.

2.Да се осигурят необходимите мрежови услуги и инфраструктура (софтуер, потребителски интерфейси), които да спомогнат за реализацията на корпоративен пул от знания и асети за необходимите способности, които да повишат нивата на представяне на студентите при решаването на съответната задача. Асетът представлява учебно съдържание в първичната му форма, електронният еквивалент на медия, текст, изображения, звук, уеб-страници, тестови обекти или друга информация, която може да бъде доставена на чрез компютърна мрежа или през Интернет.

Модел на разпределена Internet-базирана система за подпомагане изпълнението на задачи и индивидуализирано обучение за целите на инженерното образование – DIPSEIL – (Distributed Internet based Performance Support Environment for Individualized Learning).

Моделът на DIPSEIL дефинира концептуалните, функционалните, структурните и техническите основи на разпределената Интернет базирана среда за подпомагане на изпълнението на задачи и индивидуализирано обучение.Това е модел който е съставен от множество взаимодействащи помежду си елементи.

.

Концептуален модел на DIPSEILЗа проектиране на концептуалния модел на DIPSEIL ще използваме компонентите на

функционалната спецификация на съвременната архитектура за електронно обучение – IEEE LTSA P1484.1 и по специално слой 3 от тази архитектура.

Компонентно-базираната архитектура на IEEE LTSA P1484.1 е представена от гледна точка на потребителите и добилите по-широка популярност функции.

За концептуалния модел на DIPSEIL ще идентифицираме:- Четири процеса: обучаем, оценяване, инструктор и доставяне на учебно съдържание- Две хранилища: записи за обучаемия и учебни ресурси. Хранилищата се описват

според типа на съхраняваната информация, както и според методите за търсене, извличане и осъвременяване на информацията.

Накратко, принципът на действие на концептуалния модел на DIPSEIL е следният:

17

(1) Стиловете, стратегиите и методите за обучение се договарят между обучаем и ангажираните в процеса на обучение страни и се дефинират като предпочитания на обучаемия;

(2) Обучаемият се наблюдава и оценява в контекста на мултимедийните взаимодействия със средата;

(3) Процесът по оценяване генерира оценки и/или информация за обучаемия;(4) Информацията за обучаемия се съхранява в хранилището със записи за обучаемия;(5) Инструкторът преглежда оценките и информацията за обучаемия, като

предпочитания, история за предишни постижения, както и евентуални бъдещи цели за обучение;

(6) Инструкторът търси в хранилището за учебни ресурси за подходящото учебно съдържание посредством запитвания и каталожна информация;

(7) В хода на проектирането на моделите на разпределената среда за обучение DIPSEIL се идентифицира и нов процес от инструктора към хранилището с учебни обекти – създаване на учебно съдържание

Концептуалния модел на DIPSEIL e показан на фиг.41.ОбучаемКонцептуален процес, представляващ абстракция на обучаем. Обучаемиятможе да е индивидуален студент, група обучаеми, учещи индивидуално, групаобучаеми, учещи във взаимодействие, група обучаеми, учещи с различни роли и др.2.ОценяванеКонцептуален процес, който може да произведе количествени и качественихарактеристики на обучаемия.Вход / изход:

4. Инструктор

Концептуален процес, който може да включва информация от няколко географски разпределени източника, например: предпочитания на обучаемия, процес по оценяване (информация от оценяването), записи за обучаемия (постижения, предпочитания и др.), и учебни ресурси (получени чрез запитване и каталожна информация), и може да използва тази информация за да намира (запитване) и подбира (формиране на локатор) учебно съдържание (чрез процеса по доставяне и потока мултимедия) за формиране на образователни взаимодействия.

18

фиг.4. Концептуален модел на DIPSEIL

4.Доставяне на учебно съдържание.Концептуален процес, трансформиращ информацията, получена от хранилището за

учебни ресурси (образователни обекти-разпределени географски отдалечени DIPSEIL сървъри) , в презентация, доставена до обучаемия посредством мултимедия.

Процесът доставяне на учебно съдържание представлява еднопосочен информационен поток, представляващ материалите, подпомагащи създаването, инициирането и провеждането на образователно взаимодействие.Поради разпределения характер на DIPSEIL точното проектиране на този процес е от особена важност за интегритета на системата, тъй като тя е се използва от много потребители, географски разпределени и обучавани чрез различни образователни системи.

Хранилището с образователни (учебни) обекти е реализирано с помощта на отдалечени DIPSEIL сървъри на които е инсталирана системата за управление на разпределени бази данни , както и локални web-сървъри на които се хостват разпределените скриптове за динамично създаване на учебното съдържание, като цялата система се управлява от специален комуникационен сървър на който се поддържа хранилище със записите за обучаемите.

Обмяната на данни в средата на DIPSEIL се осъществява от многослойна клиент-сървър архитектура, която разделя средния слой на под слоеве и поставя в него определени услуги и функционалности предлагани от цялата система. Интеграцията и управлението на ресурсите на цялата среда се управлява от специално проектиран комуникационен сървър, разположен в центъра на архитектурата

Функционален модел на DIPSEIL

19

Функционалният модел съдържа компонентите: DIPSEIL Редактор (IPSS_EE Editor), DIPSEIL Администратор (IPSS_EE Administrator) , DIPSEIL Студентска среда (IPSS_EE Student Area). Главната структура и връзките между трите компонента са показани на фиг. 5.

Преподавателите, използвайки функционалния модел на DIPSEIL могат да подготвят всички необходими материали за създаването на IPSS_EE за специфична дисциплина. Те работят в DIPSEIL Редактор средата, която е Internet базирана и представя всички материали (въведен или копиран текст в текстовите полета или избор на готови файлове в различни формати) като елементи на IPSS_EE. Целта и предимствата от използването на DIPSEIL Редактор за разработване на IPSS_EE за конкретна дисциплина.

Както се вижда от фиг.6, поради разпределения характер на средата за обучение, DIPSEIL Редактор и DIPSEIL Студентска среда са съставени от модули работещи на комуникационния сървър и отдалечени модули, работещи на разпределените DIPSEIL сървъри.

Използването на такава организация ни дава следните възможности:• Преподавателите, проектантите на курсове и eкспертите, използвайки модула работещ на

комуникационния сървър на DIPSEIL редактор имат възможност да създават нови курсове и да се свързват с администратора на системата.За целта на комуникационния сървър се поддържа информация за връзките и вече създадените IPSS_EE курсове.В системата за управление на релационни бази данни работеща на комуникационния сървър се пази служебна информация, която е необходима за правилното разпределение на образователните инструменти и съдържание.

• Модулите на DIPSEIL Редактор, работещи на комуникационния сървър се грижат за следното: избор на разпределен DIPSEIL сървър в който да се запише новия курс или да се редактира вече съществуващия; избор на разпределен DIPSEIL сървър от който да се проверяват предадените задания от студентите (Submitted task performance);избор на DIPSEIL сървър от който да се премахне цял курс.

• За осигуряване на тази функционалност в системата за управление на релационни бази данни на комуникационния сървър се поддържат таблици със следната информация:ip-адресите и имената на отдалечените сървъри; таблица с имената на студентите, съответните им пароли, както и информация, кой студент какви курсове е избрал.

• В DPSEIL студентска средa имаме модули работещи на комуникационния сървър и такива работещи на отдалечените сървъри.Основният модул, работещ на комуникационния сървър се грижи за регистрацията и автентикацията на студентите, както и за създаване на курс от всички IPSS_EE модули налични по отдалечените DIPSEIL сървъри. За целта в системата за управление на релационни бази данни работеща на комуникационния сървър се поддържат таблици с информация за студентите (име, парола, кой студент, какви IPSS_EE модули и от кой DIPSEIL отдалечен сървър е избрал), както и таблица с имената на отдалечените сървъри и техните ip-адреси.

20

фиг.5 функционален модел на DIPSEIL

Друга важна функционалност на DIPSEIL студентска среда е поддържането на услугата “ФОРУМ” необходима на потребителите на DIPSEIL за коментиране на проблеми свързани с изпълнението на задачите, както и информация за студентите за предадените решения на задачите (task performances).

Условно системата за автоматизирано оценяване на знанията на студентите е разделена на 2 части – среда за студента и среда за преподавателя. При стартирането на Test Manager, се предлагат 2 възможности за вход в системата като студент или като преподавател. В зависимост от избора на потребителя, Test Manager проверява в базата данни на комуникационния сървър съответната информация– име и парола и успешно го оторизира в системата.Ако потребителят е студент, се проверява по какви курсове се е обучавал и в зависимост от конкретния курс му се предлага предварително подготвен тест от преподавателя или проектанта на курсове по метода на multiple choice questions – тест с повече от един възможен верен отговор за даден въпрос.След попълването на теста от студента, системата автоматично изчислява броя точки в зависимост от попълнените верни отговори и съответно крайна оценка по предварително зададена зависимост от преподавателя – брой точки – крайна оценка. Всички тези данни за студента (изучавани курсове, предадени задания, оценки от автоматизираната система за тестове, както и лична информация) се записват в базата данни на комуникационния сървър. По този начин се реализира функционалността на услугата за управление на записите за

21

студентите (STUDENT RECORDS), както и за тяхното представяне и натрупване на портфолио за студентите.

Mодел на образователните обекти използвани от DIPSEIL - IPSS_EE _LosDIPSEIL се различава от познатите системи за eлектронно обучение по две основни

характеристики:• IPSS_EE Tasks for performance (IPSS_EE задача за изпълнение) цели получаването на

предварително планирани образователни резултати.Основното обучение на студентите се извършва чрез изпълнението на определени инженерни задачи (проекти), около които се извършва целия образователен процес.

• IPSS_EE и другите подобни системи се различават по целевите групи към които са насочени – докато традиционните системи за подпомагане изпълнението на задачи са насочени към “заети” професионалисти на средни и големи компании, които имат известна представа за материята на съответната област и се нуждаят от информация за изпълнение на конкретна задача, при IPSS_EE се извършва реално обучение на студенти във висшето образование чрез изпълнение на определени задачи;

• IPSS_EE задачите за изпълнение са освен образователни обекти и обекти от знания - knowledge objects.Според общоприетата теория за обекти от знания, е необходимо да се развие чрез IPSS_EE задачите за изпълнение разбиране за съответния предмет или дисциплина, като по този начин студентите да свързват лесно предоставените им факти в “парчета от знания”. а обучение.Елементи на IPSS_EE_Los – образователните обекти.IPSS_EE_Los – образователни обекти осигуряват комбинация от следните възможности:

справочна информация за изпълняваната задача или информация за тясно свързани задачи; обучаваща част – специално разработена за конкретната задача; съвет от експерти за дадената задача; автоматизирани инструменти подпомагащи изпълнението на задачата.

Справочната информация описва задачата която потребителя на системата трябва да изпълни.Справочната или допълнителна информация интегрира всички видове учебни материали - литература, примери, web-връзки, съвети, инструменти за подпомагане, предишни знания, софтуерни продукти необходими за изпълнението на дадена задача. Справочната част от системата позволява на потребителя да научи подробности за изпълняваната задача като същевременно е винаги на разположение на обучаемия като осигурява необходимата теория за изпълнение на задачата.

Обучаващата част е конкретно свързана със задачата и помага на студента да учи докато изпълнява задачата. Към обучаващата част има Тест, с който студентите могат да проверят знанията си по разглежданите проблеми в теорията.

Образователните системи за подпомагане изпълнението на задачи осигуряват специфични съвети за изпълнението на дадената задача което е изключително предимство.Съветите обикновено се осигуряват от експертна система.

Автоматизираните инструменти за изпълнение на задачата са особено полезни когато за изпълнението на съответната задача се изисква използването на специфичен софтуер – напр. симулационни пакети.

Адаптивен системен модел (Adaptive System Model - ASM)DIPSEIL -средата за обучение функционира по различен начин с IPSS_EE_LOs

образователните обекти в зависимост от ролята на потребителите в системата: създават се и се редактират образователни обекти ако ролята на съответния потребител е преподавател или проектант на курс; IPSS_EE_LOs се представят и визуализират в съответния потребителски интерфейс ако ролята на потребителя е студент.

22

Студентите имат възможност в зависимост от своите предпочитания сами да създават курс на обучение, като за целта избират съответните образователни обекти от DIPSEIL базата данни представена като структурирано дърво на екрана.

Представянето на Адаптивния системен модел се описва с четири различни сценария:

1.IPSS_EE_LO – образователен обект ще бъде създаден или отворен за редактиране ако потребителя е преподавател. IPSS_EE_LO – образователен обект ще се визуализира ако потребителя е студент.

2.IPSS_EE_LO– образователен обект ще бъде използван от даден потребител ако темата на образователния обект е асоциирана с областта на обучение дефинирана от “консултанта по способностите” – CA и съответният потребител има статус “недостатъчен” (“Not applicable”) в описанието на нивото на знания и умения за дадената област.

3.IPSS_EE_LO –образователен обект се използва от даден студент ако има интереси в съответната област.

4.Пакети от образователни обекти под формата на курс в DIPSEIL се използват от даден потребител, ако иска да придобие съответната професионална квалификация.

Модел на последователност и навигация на образователното съдържание (Sequencing and Navigation Model – S&N Model).

Моделът S&N представя как IPSS_EE_LОs –образователните обекти се представят на потребителя (вкарват се в определена последователност) чрез събития инициирани от средата за обучение или от обучаемите.Разклонението на потоците от образователно съдържание към отделните потребители на системата се описва чрез система от предварително зададени дейности. Моделът S&N още описва разклонението на потоците от дейности в процеса на обучение, в зависимост от Learner’s Activity Flowchart (LAF) – схема на дейностите на обучаемите, базирана на резултатите от взаимодействието между средата за обучение и студентите, както и от стратегията за обучение.

LAF показва как навигационните събития инициирани от средата за обучение или от студентите се прихващат и обработват от DIPSEIL, което води до установяване на дейностите на обучението.

Архитектура на разпределената Интернет базирана система за подпомагане изпълнението на задачи и индивидуализирано обучение за целите на инженерното образование – DIPSEIL

Разпределената Интернет-базирана система за подпомагане на изпълнението на задачи и индивидуализирано обучение - DIPSEIL се дефинира като интегрирана и достъпна чрез Интернет колекция от IPSS_EE – среди за обучение приложени в образованието, които могат да бъдат използвани при необходимост от обучение по дадена учебна дисциплина или за подпомагане изпълнението на определени задачи от индивидуални или колективни потребители.

23

РАЗПРЕДЕЛЕНИDIPSEIL СЪРВЪРИ

WE

BС

ЪР

ВЪР

СИ

СТЕ

МН

АКО

МУН

ИКАЦ

ИЯ

MyS

QLD

B Sync

СИСТЕМНОУПРАВЛЕНИЕ

MyS

QL

съвъ

р за

бази

дан

ни

УСЛУГИ

ИН

ТЕРН

ЕТTC

P/IP

WEBСЪРВЪР

СИСТЕМНА КОМУНИКАЦИЯPHP СКРИПТОВЕ

УСЛУ

ГИ

MySQLсървър за база

данни

WEBСЪРВЪР

СИСТЕМНА КОМУНИКАЦИЯPHP СКРИПТОВЕ

УСЛУ

ГИ

MySQLсървър за база

данни

WEBСЪРВЪР

УСЛУ

ГИ

MySQLсървър за база

данни

СИСТЕМНА КОМУНИКАЦИЯPHP СКРИПТОВЕ

WEBСЪРВЪР

СИСТЕМНА КОМУНИКАЦИЯPHP СКРИПТОВЕ

УСЛУ

ГИ

MySQLсървър за база

данни

ИН

ТЕРН

ЕТTC

P/IP

КЛИЕНТСКИКОМПЮТЪР

Заявка за дадена услугана http://www.dipseil.net

КОМУНИКАЦИОНЕНСЪРВЪР

РАЗПРЕДЕЛЕНИDIPSEIL СЪРВЪРИ

РАЗПРЕДЕЛЕНИDIPSEIL СЪРВЪРИ

РАЗПРЕДЕЛЕНИDIPSEIL СЪРВЪРИ

фиг6. Архитектура на средата за обучение DIPSEIL

Някои от основните характеристики на архитектурата са:1. Разпределените DIPSEIL сървъри са независими един от друг. Всеки от тях притежава

свой собствен сървър за управление на релационни бази данни и собствен уеб сървър. Функционалността на разпределения сървър се реализира по технологията Apache+PHP+MySQL, като управляващия софтуер е написан под формата на PHP скриптове изпълнявани от локалния уеб-сървър. От гледна точка на потребителя

24

управляващия софтуер скрива процесите по достъп до сървърите за бази данни, както и комуникацията на потоците от информация между потребителя ( клиента) и съответната услуга на DIPSEIL.

2. Всеки от разпределените DIPSEIL сървъри има своя собствена връзка към Internet през мрежов интерфейс с реален IP адрес, като за функционирането му като среда за обучение се изисква единствено предаване на информация от комуникационния сървър към разпределения и прехвърлянето на клиента логически от единия уеб сървър към другия.

3. Не се налага прехвърляне на данни между два разпределени DIPSEIL сървъра, а само между комуникационния сървър и разпределения, и обратно.

4. При така проектираната мрежова архитектура на DIPSEIL , много лесно може да се добави нов разпределен сървър и на него да се зареди съответното образователно съдържание специфицирано по език на обучение. За целта е необходим само физически сървър с мрежов интерфейс и съответния сървърен софтуер.

Функционална архитектура на разпределената среда за обучение DIPSEIL

фиг.7.Функционална архитектура на разпределената среда за обучение DIPSEIL

Функционалната архитектурата на DIPSEIL (фиг.7) се състои от един или повече разпределени DIPSEIL сървъри със съответният сървърен софтуер, свързани с комуникационен сървър чрез Internet. Софтуерът на комуникационния сървър осигурява услуги свързани с разпределение на образователните ресурси в средата за обучение, както и за поддържане на единно хранилище от образователни обекти – IPSS_EE_Los. Комуникационният сървър управлява и процесите на представяне на образователното съдържание (потоците от съдържание) към студентите и синхронизация на данните в системата.

Основните характеристики на функционалната архитектурата на DIPSEIL са:

25

• Разпределените DIPSEIL сървъри са независими един от друг.Те съхраняват IPSS_EE_LOs – образователни обекти, както и цели курсове подготвени от преподавателите по различни научни дисциплини;

• Разпределените DIPSEIL сървъри са географски разпределени и специфицирани по език;• Хранилище с образователни обекти и общата база данни с IPSS_EE курсове, както и

профилите на студентите се генерира динамично и в реално време на комуникационния сървър чрез използване на многослойната клиент-сървър архитектура.

• Комуникационната среда през която се извършва преноса на данни е Internet.• Операционните системи на разпределените DIPSEIL сървъри,както и на

комуникационния сървър могат да бъдат хетерогенни (Linux,Solaris,Windows и др.)• В цялата архитектура на DIPSEIL се избягва процеса на репликация на данните. • На комуникационния сървър работи система за удостоверяване на автентичността на

потребителите, система за обмяна на записи с данни за студентите,система за само оценка и консултант по способностите – CA, както и услуга позволяваща автоматизирано провеждане на тестове със студентите;

• Софтуера на комуникационния сървър e платформено независим;

Архитектурата на отдалечените DIPSEIL сървъри е повлияна от IPSS_EE модела и включва следните основни компоненти:

• Локална система за база данни в която се съхранява информация за курсовете и структурата им в разпределените сървъри, както и самото образователно съдържание;

• DIPSEIL редактор – отдалечен модул – онлайн приложение в което преподавателите и проектантите на курсове подготвят IPSS_EE образователните обекти, конструират курсове, дефинират задачи за изпълнение и зареждат в локалната система от база данни материали и инструменти необходими на обучаемите за изпълнението на дадената задача

• DIPSEIL студентска среда–чрез използването на този модул, образователното съдържание се доставя до потребителите на DIPSEIL в зависимост от избрания или конструиран курс.

• Apache уеб сървъра заедно с MySql сървъра за релационни бази данни за ключовите технологични компоненти на разпределените DIPSEIL сървъри, които осигуряват онлайн достъп до всички компоненти на DIPSEIL средата за обучение.

Основни компоненти на комуникационния сървър:• IPSS_EE хранилище за образователни обекти – основната задача на този компонент е да съхранява IPSS_EE – образователните обекти заедно със съпътстващите ги метаданни.В IPSS_EE хранилището се съхранява информация и за създадените курсове от студентите и преподавателите, различните модули изучавани от студентите, както и къде се намират тези образователни обекти и курсове в разпределените DIPSEIL сървъри• База данни с права за потребителите на DIPSEIL и записи за студентите.Тук се съхранява информация за правата на потребителите на DIPSEIL от гледна точка на функцията им в средата – преподаватели, проектанти на курсове, студенти и администратори. • Услуга със записи за студентите - управлява информацията за студентите в DIPSEIL – лични данни, взети курсове и модули, получени оценки за изпълнението на текущите задачи, профил на обучаемите и др.• Услуга за оторизация на студентите – (Login Service) – контролира сесиите на обучаемите и на другите потребители на DIPSEIL.• IPSS_EE Course Management – модул за управление на курсовете. • ASM – Adaptive System Model - адаптивен системен модел – представя една от най-важните особености на DISPEIL средата за обучение – възможността за индивидуализация

26

Архитектурата на DIPSEIL е така проектирана че дава възможност на студентите да учат съобразно техните собствени стилове за учене.. • Консултантът по способностите (Capability Adviser) е специално проектиран софтуер достъпен онлайн в комуникационния сървър, който има за задача да осигури възможност на студентите за само оценка на знанията и способностите си по дадена учебна дисциплина.• Моделът S&N (Sequencing and Navigation) - S&N Model - модел на последователност и навигация на образователното съдържание - представя как IPSS_EE_LОs –образователните обекти се представят на потребителя (вкарват се в определена последователност) чрез събития инициирани от средата за обучение или от обучаемите.• Apache уеб сървъра, заедно с MySql сървъра за бази данни са ключови технологични компоненти на комуникационния сървър, предоставяйки интернет достъп до разпределената среда за обучение. • Дискусионния форум e мястото където студенти и преподаватели могат да дискутират проблеми свързани с образователния процес, предаването на решенията на задачите и др.• Test Manager e приложение за оценяване на знанията на студентите и обучаващите се.Системата е уеб-базирана, работи изцяло на комуникационния сървър и реализирана по технологията Apache+PHP+MySQL.

ГЛАВА 4. ЕКСПЕРИМЕНТИРАНЕ НА РАЗРАБОТЕНАТА СРЕДА ЗА ОБУЧЕНИЕ DIPSEIL И АНАЛИЗ НА ПОЛУЧЕНИТЕ РЕЗУЛТАТИ

На фиг.8 е показана конкретната реализация на проекта DIPSEIL.Инсталирани са 5 отдалечени DIPSEIL сървъра, в Пловдив, София, Корк (Ирландия),

Мадрид (Испания) и Гренобъл ( Франция). На всеки от сървърите е заредено съответното образователно съдържание, представено като IPSS_EE и специфицирано по език за обучение.

фиг.8. Реализация на DIPSEIL

27

Университетите партньори по проекта DIPSEIL, в които бяха проведени експериментите са:

• Пловдивски университет „Паисий Хилендарски“, катедра ЕКИТ, ФФ, България• Технически университет, София, България• DEIS, Department of Education Development, Cork Institute of Technology, Cork, Ire-

land• DIEC, Spanish University for Distance Education, Madrid, Spain• National Polytechnical Institut of Grenoble

Във всеки от университетите беше проведен експеримент с контролна и експериментална група съответно изучаващи една и съща инженерна дисциплина чрез средата за обучение DISPEIL и чрез традиционни методи (в класна стая или с друга среда за обучение).

Статистически данните са обработени и анализирани от Catalina Martinez Mediano (Associate Professor at Spanish Distance University, Faculty of Education, Department of Research Methods and Diagnosis in Education).

.Експериментите бяха проведени от опитни експерти от академичния състав на тези 5 университета които са част от екипа разработил и внедрил DIPSEIL проекта.

Нашата изследователска хипотеза съобразно целта на DIPSEIL проекта и средата за обучение е:

„Студентите обучавани чрез разпределената среда DIPSEIL в сферата на инженерното образование, чрез прилагане на индивидуализирано обучение и използване на разпределени източници от образователно съдържание, се справят по-добре от тези използващи средата IPSS_EE или традиционните методи на обучение. Удовлетворението на студентите от обучението използвали DIPSEIL ще бъде по-високо от тези използвали IPSS_EЕ или друга електронна среда за обучение.”

Важно е да се отбележи, че студентите имаха еднакво първоначално равнище по изучаваната материя и ползването на компютър.

В края на експеримента студентите попълват “Рефлективен въпросник” относно използвания метод на обучение. “Рефлективният въпросник” има три основни скали: “Изпълнение”, “Подпомагане” и “Обща”. Скалата “Изпълнение” се състои от три под скали : “Реален проблем”, “Практика” и “Оценяване”. Скалата “Подпомагане” се състои от следните под скали: “Ресурси”, “Обратни връзки”, “Индивидуализация” и “Помощ”. Скалата “Помощ” оценява навременната, достатъчна и ориентирана към нуждите на студента помощ. В допълнение “Рефлективен въпросник” предлага четири сценария, представящи различни начини на провеждане на обучението по даден модул (курс).

На края всички групи полагат “Тест за знания и умения” или изпълняват конкретна задача. “Тестът за знания и умения” включва традиционните елементи при тестване на знания: Да/Не елементи, въпроси с няколко възможни отговора, обяснителен отговор на някакъв въпрос..

За да се отчете, че разликите между експерименталната и контролната група се дължат на DIPSEIL средата за обучение вместо на случайни фактори се използва ANOVA статистика. ANOVA е дедуктивна статистика, използваща се, за да се елиминира възможно алтернативно обяснение, дължащо се на случайна грешка. За статистическата обработка се прилагат методите ANOVA и t-разпределение на Стюдент.

Изводи от проведените експерименти 5-те университета партньори по проекта.Във всички експерименти проведени в университетите партньори по проекта,

студентите от експерименталната група получават по-добри резултати от обучението в сравнение със студентите от контролната група.Този факт се обяснява с това че експерименталната група бе обучавана чрез разпределената среда за индивидуализирано

28

обучение DIPSEIL.Тази група работи с подобрения разпределен модел на обучение DIPSS, имаше възможност да използва елементите за индивидуализация , адаптивния системен модел и образователно съдържание от разпределени източници.

Получените резултати от експериментите доказват ефективността на DIPSEIL средата за обучение заедно с подобрения модел DIPSS за придобиване на знания и при изграждане на практически умения у студентите.

Изследователската хипотеза е успешно потвърдена. Нашето заключение, като се имат в предвид статистическите резултати е: да

препоръчаме използването на разпределената среда DIPSEIL за преподаване в Университетите като допълнение на традиционните методи на обучение или като единствен метод (по-конкретно в условията на дистанционното обучение).

Заключение-резюме на получените резултати.

В хода на проектиране и дефиниране на разпределената среда DIPSEIL се получиха следните научни и научно-приложни приноси:

1.Изследвани бяха основните методи и средства за проектиране на разпределени информационни системи, както и изискванията към тях и бяха дефинирани основните характеристики на една успешна разпределена електронна информационна система като: използване на многослойна клиент-сървър архитектура, при която третия слой се разслоява на множество слоеве, които отговарят за така наречената оперативна логика на цялата система;изискване за административна и географска скалируемост;липса на едновременност и паралелност при работата на географски разпределената информационна система;осигуряване на механизъм за взаимно изключване по време, липса на репликации между сървърите за бази данни и съревнование между възлите на системата

2.Проучени са стандартите за съвременни технологично-базирани образователни среди като такива за учебно съдържание, за обучаемите, за взаимодействие.Показани са основните изисквания на IEEE LTSA към една съвременна среда за обучение и описано как се отнасят тези изисквания към физическото разпределение на образователното съдържание. Направеното проучване показва, че няма разработени технологично-базирани системи за обучение на студенти, които да са географски разпределени и комуникацията между отделните компоненти на архитектурата да става през Интернет.

3.В хода на дефиниране и проектиране на DIPSEIL бе създаден разпределения DIPSS модел като усъвършенстван на IPSS_EE модел.

4.Разработен е концептуалният модел на DIPSEIL адресиращ изискванията на IEEE LTSA и физическото и географско разпределение на образователното съдържание.

5.Разработен е функционален модел на DIPSEIL, на който функционалността е вградена в средните слоеве на многослойната клиент-сървър архитектура.

6.Разработени са моделите на образователните обекти използвани в DIPSEIL, адаптивния системен модел и модела на последователност и навигация на образователното съдържание.

7.Проектирана е многослойна мрежова клиент-сървър архитектура в средните слоеве на която са разположени основните услуги и функционалности предлагани от DIPSEIL.

8.Разработен е прототип на DIPSEIL, внедрен е в практиката и е извършено оценяването му чрез експериментиране със студенти по инженерни дисциплини в международна университетска среда.

29

Практическа приложимост на резултатите

Резултатите от дисертационния труд са намерили практическо приложение при проектирането, разработването и внедряването на разпределената среда за индивидуализирано обучение DIPSEIL.

От внедряването през 2005г. със средата DIPSEIL се обучават студенти от инженерни дисциплини в Пловдивския университет в областта на Електрониката, Аналоговата и Цифровата схемотехника, информатика, информационни технологии, компютърни мрежи, микропроцесорна техника и други.

30

БИБЛИОГРАФИЯ – ПУБЛИКАЦИИ СРЪРЗАНИ С ДИСЕРТАЦИЯТА

1. Tokmakov D., Mileva N., Stoyanova S., Internet based performance support systems with edu-cational elements – server and network (ipss_ee server and network), Proceedings of The Thir-teen International Scientific and Applied Science Conference ELECTRONICS ET”2004, Sozo-pol, Bulgaria, September 22-24, 2004, pp.130-135

2. Токмаков Д., Система за управление на разпределени бази данни за нуждите на разпределена интернет среда за подпомагане на обучението, Научни трудове на ПУ “П.Хилендарски”, том 35,кн.4, 2004 – ФИЗИКА, стр.195-199

3. Токмаков Д. , Милева Н., Мрежово разпределени интернет базирани среди за подпомагане на обучението във висшето образование, сборник доклади от XXXIII Национална конференция по въпросите на обучението по Физика, Варна 7-10 април 2005, стр.242-245

4. Tokmakov D. , Mileva N. , Stefanova K., Distributed internet – based performance – centered architecture for learning and development, Proceedings of The Fourteen International Scientific and Applied Science Conference ELECTRONICS ET”2005, Sozopol, Bulgaria, September 21-23, 2005, pp.91-96

5. Tokmakov D, Mileva N., Milev M., Mysql database synchronization software for the needs of distributed internet performance support environment for individualized learning (Dipseil) , Proceedings of The Fifteen International Scientific and Applied Science Conference ELEC-TRONICS ET”2006, Sozopol, Bulgaria, September 20-22, 2006, pp.130-135

6. Mileva N., Tokmakov D., Milev M., Distributed internet – based performance support envinronment for individualized learning (DIPSEIL) – the Model 1 Conference ICL2007, September 26 -28, 2007 Villach, Austria

7. Токмаков Д., Милева Н., “Разпределена интернет базирана среда при обучението на студенти по електроника, информатика и комуникации”,сп.’Е+Е’, кн.11-12/2010г.

8. Tokmakov D., Mileva N., Mobile distributed internet-based performance - support environment for individualized learning – mDIPSEIL – EDULEARN 2010 – International Con-ference on Education and New Learning Technologies /5th-7th of July 2010/ - Barcelona, Spain

31

ANNOTATIONof

DISERTATION

Distributed Internet-based Performance Support Environment for Individualized Learning (DIPSEIL)

This dissertation presents our experience in the design, development and using of Distributed Internet based Performance Support Environment for Individualized Learning - http://www.dipseil.net - in students’ learning process in engineering disciplines – electronics, informatics and communication systems. The main characteristics of the performance-centered approach in university education are described, as well the architecture of DIPSEIL and its functional and conceptual model.

DIPSEIL apply methods of performance support systems to university educational process and put task performance in the center of learning. The information work-flow of educational content from remote servers to students is controlled by specially designed DIPSEIL communication server which main functionality are also presented. The principles and methodology of DIPSEIL design and implementation are well described. The dissertation also shows the steps for designing a distributed learning management system using a structured methodology ED4.

The following scientific and applied results were identified:

1. The main resources and methods for design of Distributed information systems were investigated and their requirements were defined such as: multilayer client-server architecture in which the third layer consist of multilayer responsible for the business logic of the system; absence of data replication between server nodes and solution for mutual exclusion mechanism;

2. Investigation on standards for modern e-learning such as: IMS LOM, SCORM, PAPI, IEEE LTSA and some of the well-known commercial and open source Learning Management Systems. According to this investigation were made a specification how these standards have to be implemented in a distributed environment and especially for the physical distribution of the learning content;

3. A distributed model – Distributed Internet Performance Support System (DIPSS) were made as an evolution to IPSS model;

4.DISPEIL conceptual model were developed addressing the specific needs of IEEE LTSA for physical and geographical distribution of the learning content.

5. Functional model of DIPSEIL were developed and the corresponding multilayer architecture for the learning content distribution;

6. The models of DISPEIL Learning objects (IPSS_EE Los), Adaptive system model (ASM) and Sequencing and Navigation model were identified with regard to the distributed nature of the system;

7.A whole project for multilayer client-server architecture were developed in which the third layer is a collection of multilayer responsible for the business logic of the Distributed Internet based Performance Support Environment for Individualized Learning;

8. A prototype of DIPSEIL learning environment was made, and was investigated in real learning situations in 5 European Universities;

32