Цена доставки диссертации от 500 рублей 

Поиск:

Каталог / ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ / Информатика, вычислительная техника и управление / Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Интерактивные компьютерные тренажеры по математическим дисциплинам

Диссертация

Автор: Клыков, Виктор Викторович

Заглавие: Интерактивные компьютерные тренажеры по математическим дисциплинам

Справка об оригинале: Клыков, Виктор Викторович. Интерактивные компьютерные тренажеры по математическим дисциплинам : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.18 Томск, 2005 158 c. : 61 06-5/1206

Физическое описание: 158 стр.

Выходные данные: Томск, 2005






Содержание:

ГЛАВА ОБЗОР ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ В ОБЛАСТИКОМНЬЮТЕРНЫХ ТРЕНАЖЕРНЫХ ПРОГРАММ
11 КРАТКАЯ ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХТРЕНАЖЕРНЫХ ПРОГРАММ
12 НОВОЕ НОКОЛЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТРЕНАЖЕРНЫХ НРОГРАММ И ИХРОЛЬ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
121 Проблемы и перспективы развития компьютерных тренажерныхпрограмм в открытом образовании
122 Принципы работы математических интерактивныхкомпьютерных тренажеров
123 Виртуальные лабораторные практикумы
1231 Моделирующие программы и требования к ним
1232 Виртуальные лабораторные практикумы, сопряженные среальными объектами
124 Применение систем искусственного интеллекта для разработкиикт :
13 ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ КОМПЬЮТЕРНЫХТРЕНАЖЕРНЫХ ПРОГРАММ
14 СУЩЕСТВУЮЩИЕ СТАНДАРТЫ НА РАЗРАБОТКУ КОМПЬЮТЕРНЫХТРЕНАЖЕРНЫХ ПРОГРАММ
15
Выводы
ГЛАВА МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕРАКТИВНОГОКОМПЬЮТЕРНОГО ТРЕНАЖЕРА
21 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТРЕНАЖЕРА
211 Функционирование модели в условиях нечеткой логики
22 МОДЕЛЬ РАБОТЫ ТРЕНАЖЕРА КАК ПРОГРАММЫ
221 Структура и функционирование тренажерной программы
222 Система автоматизированной разработки интерактивныхкомпьютерных тренажеров на базе XML
2221 Задачи, которые должна решать автоматизированная системаEduCAD Trainer
2222 Требования, предъявляемые к автоматизированная системаEduCAD Trainer
2223 Построение тренажера на основе сценария
2224 Использование XML для описания сценария
2225 Структура системы автоматизированной разработкиинтерактинвых компьютерных тренажеров
23 НЕКОТОРЫЕ ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЮЩИЕСЯ АЛГОРИТМЫ
231 Алгоритм сравнения выражений, заданных в аналитическойформе
232 Алгоритм построения линий уровня
233 Метод построения линий уровня с помощью аппаратных средствграфического процессора
24
Выводы
ГЛАВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИИНТЕРАКТИВНЫХ КОМНЬЮТЕРНЫХ ТРЕНАЖЕРОВ
31 АВТОМАТИЗАЦИЯ РАЗРАБОТКИ ИНТЕРАКТИВНЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХТРЕНАЖЕРОВ
311 Динамический шаблон EduCAD Practice
312 Автоматизированная система EduCAD Trainer
3121 Принцип работы
3122 Необходимый инструментарий
3123 Возможности автоматизированной системы EduCAD Trainer
32 ВИЗУАЛЬНЫЕ КОМНОНЕНТЫ
33 ИНТЕРАКТИВНАЯ РАБОТА С МАТЕМАТИЧЕСКИМИ ВЫРАЖЕНИЯМИ ВАНАЛИТИЧЕСКОМ ВИДЕ
331 Ввод математических выражений в естественном виде
332 Развитие средств анализа математических выражений
34
Выводы ПО
ГЛАВА IIРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИНТЕРАКТИВНЫХ КОМНЬЮТЕРНЫХТРЕНАЖЕРОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ОБУЧАЮЩИХ КУРСОВ
41 ОБЩИЕ НРШЩИНЫ РАЗРАБОТКИ ИНТЕРАКТИВНЫХ КОМНЬЮТЕРНЫХТРЕНАЖЕРОВ
411 Информация от методиста
412 Пример: сценарий решения квадратного уравнения
42 ИНТЕРАКТИВНЫЕ КОМНЬЮТЕРНЫЕ ТРЕНАЖЕРЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОГООБУЧАЮЩЕГО КУРСА «ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАТЕМАТИКА»
421 Назначение
422 Состав и способы применения
43 ИНТЕРАКТИВНЫЕ КОМНЬЮТЕРНЫЕ ТРЕНАЖЕРЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОГООБУЧАЮЩЕГО КУРСА «МЕТОДЫ ОНТИМИЗАЦИИ»
431 Назначение
432 Состав и способы применения
44 ИНТЕРАКТИВНЫЕ КОМНЬЮТЕРНЫЕ ТРЕНАЖЕРЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОГООБУЧАЮЩЕГО КУРСА «ВЫСШАЯ МАТЕМАТИКА ИНТЕГРАЛЬНОЕИСЧИСЛЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ»
441 Отличительные особенности
442 Состав и способы применения
443 Сценарии тренажеров Генерация параметров
45 ВИРТУАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ НРАКТИКУМ «ФИЗИКА»
46ВЬШОДЫ

Введение:
По некоторым оценкам, своего расцвета информационная цивилизациядостигнет к середине XXI века, и уже наши дети будут жить и работать в совершенно новой информационной среде обитания. Поэтому современная система образования должна опережаюш;ее готовить новое поколение к условиямсуществования и профессиональной деятельности в глобальном информационном обш;естве. Происходящие структурные изменения в экономике, социальнойи политической жизни требуют переподготовить около 40 млн. человек по всемнаправлениям профессионального, гуманитарного и социально-экономическогообразования в период до 2007 года. Бурный рост технологически совершенствующихся отраслей деятельности предполагает, что не менее 40-50% должныиметь высшее образование [62]. По оценкам футурологов, в информационномобществе высшее образование должны иметь 60-90% работающего населения[4].Указанные обьективные факторы и прогнозы обуславливают повсеместное привлечение информационных и телекоммуникационных технологий дляоказания образовательных услуг с целью глобального расширения обучающейся аудитории. Взаимодействие, интеграция и стандартизация этих услуг приводит к появлению среды открытого образования (00). В нашей стране эта средаразвивается в рамках программы Министерства образования и науки РФ по созданию системы (00), при этом внедряется единая информационнообразовательная среда открытого образования РФ (ИОС ОО РФ). При этом воснове создания ИОС ОО лежат технологии адаптивного 0 0 с использованиемсовременных информационных и телекоммуникационных технологий. Такимобразом, одним из основных средств 0 0 является дистанционное обучение(ДО), определенное в работе [73] как «...совокупность технологий, позволяющих реализовать образовательный процесс с удаленным пользователем». Главнейшая задача дистанционного обучения — не снижая высокого качества профессиональной подготовки, сделать ее поистине массовой. Однако факты говорят о том, что высокого качества профессиональной подготовки с помощью/^ , средств ДО удается достичь отнюдь не всегда. В первую очередь это касаетсяестественнонаучного (инженерного) образования.Получение естественнонаучного (инженерного) образования связано срядом особенностей, которые сильно затрудняют использование информационных технологий ДО. Главные из них связаны с тем, что для этих специальностей принципиально необходима повседневная практическая деятельность ввиде регулярно выполняемых лабораторных работ и практических занятий порешению задач [27, 77]. Считая проблему принципиально разрешимой в ближайшем будуш,ем, некоторые специалисты, тем не менее, считают лучшим вы^ ходом вообще отказаться от подготовки таких дипломированных специалистовв системе ДО в настоящее время, так как полномасштабную практику студентам ДО сейчас обеспечить практически невозможно [76]. Посвященный даннойпроблематике обзор литературы, представленный автором в статье [47], показал, что источником проблем является диспропорция в развитии отельных технологий ДО. В первую очередь необходимо отметить мощное развитие технологий представления теоретического материала — гипертекстовых систем смультимедийной «начинкой». Не отстают от них технологии тестирования иконтроля. Компоненты з^ебно-методических комплексов, отвечающие за представление практического материала, развиты значительно слабее.Можно выделить два типа практической деятельности присущих подготовке естественнонаучных специалистов:• Лабораторный практикум, цели которого — привитие навыков исследовательской работы, углубленное изучение теоретического материала, знакомство с методиками измерения различных величин, изучение^ приборов, обучение сборке электрических схем и т.д.• Практические занятия по решению задач, от математических до практических. Их цель - «набить руку» в сборке электронных схем, машинописи, интегрировании и т.д.10Разработке компьютерных лабораторных практикумов посвящено подавляющее количество публикаций, относящихся к проблематике инженерногоДО. Второй тип виртуальных практических занятий - интерактивные компьютерные тренажеры (ИКТ) - освещен в литературе слабо, несмотря на то, чтоэтот тип занятий присутствуют практически во всех современных источникахкак одна из основных компонент электронных учебников по естественнонаучным дисциплинам [27, 76]. Основным фактором отставания развития ИКТ какодной из технологий ДО является отсутствие формализованного описания, модели ИКТ и развитых стандартов их реализации, и как следствие, отсутствиесредств автоматизированной разработки.Таким образом, актуальность исследования обусловлена:1. Бурным развитием, которое переживает сфера электронного образования в настоящее время;2. Отсутствием развитых (недекларативных) стандартов и требований ккомпьютерным тренажерным программам;3. Отсутствие формализованного описания (математической модели)ИКТ в достаточной для программной реализации степени;4. Большим объемом имеющейся пассивной информации (бумажныхучебников по математическим дисциплинам), которую необходимоперевести в активную, электронную, форму;5. Наличием компьютерных тренажерных программ в образовательномпроцессе в количестве, недостаточном для современного уровня развития информационных технологий в целом;6. Высокими требованиями, предъявляемыми к готовым компьютернымтренажерным программам;7. Трудностью создания без вспомогательных средств обучающих программ, удовлетворяющих выдвинутым обществом требованиям;118. Необходимостью создания практической и теоретической базы, которая бы обеспечила возможность создания средств автоматизированнойразработки ИКТ. Объектом исследования являются интерактивные математические компьютерные тренажеры как компоненты электронного 5Д1ебника для усвоенияпрактического материала учебного курса.Предметом исследоваиия являются инструментальные средства, предназначенные для автоматизации разработки интерактивных математическихкомпьютерных тренажеров.Целью данной работы является исследование возможностей автоматизации разработки РЖТ, создание формализованного описания (математическоймодели) ИКТ и инструментария для эффективной разработки интерактивныхкомпьютерных тренажеров по математическим дисциплинам.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующиезадачи:1. Определить современные требования к ИКТ;2. Разработать концепции функционирования и структуру ИКТ;3. Предложить математическую модель ИКТ;4. Выявить требования к инструментальным средствам разработки ИКТна основе созданной модели;5. Реализовать необходимые для программного воплощения модели инструментальные средства и компоненты ИКТ;6. Апробировать математическую модель при создании комплекса ИКТпо высшей математике.Методы исследования вытекают из поставленных задач. Для решенияпоставленных задач использовались методы системного анализа и теории автоматов. Были рассмотрены приведенные в литературе данные, относящиеся кисследованию. При программной реализации полученных концепций, использовались:12• методы теории алгоритмов и языков программирования;• методы объектно-ориентированного программирования и технологияСОМ;• методы математического моделирования и визуализации, опирающиеся на методы вычислительной математики и технологию GPGPU (General Processing on Graphical Processing Unit) - обработка данных (в томчисле и не графических) на графических процессорах.Научную новизну представляют следующие результаты:1. Применение детерминированного автомата в качестве модели представления работы алгоритмов решений различных математических задач в рамках ИКТ.
2. Оригинальный алгоритм сравнения математических выражений, заданных в аналитической форме, отличающийся простотой реализации.3. Способ ввода и анализа математических выражений с помощью редактора формул Formulator, отличающийся тем, что он предоставляет разработчику широкие возможности по анализу математических выражений, вводимых пользователем в естественном виде.4. Оригинальный метод построения линий уровня и градиентного отображения карты высот, основанный на аппаратных возможностях современных GPU (графических процессоров).Основные положения, выносимые на защиту:1. Математическая модель компьютерного тренажера позволяет реализовать алгоритм интерактивного обучения пользователя навыкам решения различных математических задач.2. На основе предложенной математической модели возможна автоматизация разработки интерактивных компьютерных тренажеров.3. Разработанный способ ввода математических выражений в аналитическом виде с помощью редактора формул Formulator существенно облегчает создание тренажеров по математическим дисциплинам, отве13чая как высоким требованиям разработчика ИКТ, так и конечногопользователя,4. Комплекты интерактивных компьютерных тренажеров для мультимедийных учебников «Методы оптимизации» и «Высшая математика II»позволяют пользователю самостоятельно изучать алгоритмы решенияматематических задач.Практическая и теоретическая цеиность работы. Предложенная математическая модель и реализованный набор инструментальных средств и графических компонент ИКТ представляют теоретическую и практическую базу длясоздания системы автоматизированной разработки ИКТ по естественнонаучным дисциплинам. Реализовано программное обеспечение, включаюп];ее в себякомплекты ИКТ для трех электронных обучающих комплексов (ЭОК) по математическим дисциплинам: «Вычислительная математика», «Методы оптимизации» и «Высшая математика. Интегральное исчисление. Дифференциальныеуравнения». На базе предложенных принципов функционирования ИКТ разработаны тренажеры для ЭОК «Английский язык II». Разработанные графическиекомпоненты ИКТ использовались при создании комплекта виртуальных лабораторных работ для ЭОК «Физика».Концепции разработки PIKT, могут быть использованы другими авторскими коллективами для дальнейших исследований в области электронного образования и создания аналогичного программного обеспечения. Это же касается разработанных отдельных программных компонентов, которые могут бытьиспользованы для конструирования других систем.Развитием данной работы будет являться создание системы автоматизированной разработки интерактивных компьютерных тренажеров EduCADTrainers, которая войдет в состав системы автоматизированной разработкиэлектронных учебников EduCAD.Достоверность результатов работы подтверждается применением научных основ системного проектирования прикладного программного обеспече14ния, системного анализа, а также внедренными в учебный процесс ЭОК с комплектами ИКТ по трем естественнонаучным дисциплинам.Внедрение результатов диссертацин. Реализованы комплекты PIKT дляЭОК по трем математическим дисциплинам: «Вычислительная математика»,«Методы оптимизации», «Высшая математика П. Интегральное исчисление идифференциальные уравнения». Все перечисленные ЭОК внедрены в образовательный процесс Томского межвузовского центра дистанционного образования(ТМЦДО). К разработанным обучающим курсам выпущены методические пособия. Предложенная математическая модель, инструментальные средства ибиблиотека графических компонент ИКТ активно используются, являясь внутренним стандартом de-facto, в лаборатории «Мультимедиа» ТУ СУР. Анробация работы и публикации. Методика исследования обсуждаласьна заседаниях семинара кафедры АСУ ТУ СУР «Автоматизированные системыв учебном процессе» в 2001 году, семинарах СКБ «Система» в 2002-2003 гг., инаучных семинарах лаборатории «Мультимедиа» в 2004-2005 гг.По теме диссертации опубликовано 24работ, в том числе:• 5 статей, среди которых 3 в центральной печати;• 4 учебно-методических пособия (в том числе к ЭОК по дисциплинам«Вычислительная математика» и «Методы оптимизации»);• материалы 15 докладов на конференциях;• материалы автора вошли в монографию [49].Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:• региональной научно-технической конференции «Радиотехнические иинформационные системы и устройства». Томск, ТУ СУР, 2000 г.;• 7-й международной научно-практической конференции «Природные иинтеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-7-2001). Барнаул,2001 г.;15• межрегиональной научно-техннческой конференции «Научная сессияТУСУР». Томск, ТУСУР, 2002 г.;• международной научно-технической конференции «Информационныетехнологии в образовании, технике и медицине». Волгоград, 2002 г.;• XI международной научно-методическая конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании». Кемерово, ИДМИ, 2002 г.;• региональной научно-нрактической конференции «Нрогрессивныетехнологии и экономика в машиностроении». Юрга, 2002 г.;• всероссийской научно-нрактической конференции-выставке «Единаяобразовательная информационная среда: проблемы и пути развития».Томск, 2002 г.;• XLI международной научной студенческой конференции «Студент инаучно-технический прогресс». Новосибирск, НГУ, 2003 г.;• всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивныетехнологии и экономика в машиностроении». Юрга, 2003 г.;• международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании». Новосибирск,СибГУТИ, 2003 г.;• X международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Томск,2004 г.;• конференции «Научная сессия ТУСУР - 2004». Томск, ТУСУР, 2004г.;• всероссийской научно-методической конференции «Современное образование: ресурсы и технологии инновационного развития». Томск,2005 г.Дипломная работа на тему «Интерактивные компьютерные тренажерыдля электронного учебника по дисциплине «Методы оптимизации», в которой16отражены начальные этапы исследования, отмечена дипломом открытого конкурса Министерства образования РФ на лучшую научную работу студентов поестественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах РФ в 2002 году.Доклады автора на XLI международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, НГУ, 2003 г.) иконференции «Научная сессия ТУСУР - 2004» отмечены дипломами первойстепени.Материалы работы были представлены на открытом конкурсе нефтянойкомпании «ЮКОС» в 2004 г. в номинации «Аспиранты и молодые ученые» ибыли оценены именной стипендией автору.ЭОК «Методы оптимизации» в который входят ИКТ, разработанные автором, занял первое место на конкурсе электронных учебных пособий, проходившем в ТУСУР в 2004 г.Личный вклад диссертанта. В диссертации приведены только те результаты, в получении которых автору принадлежит основная роль. Ностановка задачи, направление исследований, подготовка материалов для печати выполнены совместно с руководителем - Мицелем А.А. Опубликованные работы написаны либо без соавторов, либо в соавторстве с сотрудниками коллектива АСУТУСУР по разработке компьютерных учебных пособий (лаборатории «Мультимедиа», до 2004 г. - С1СБ «Система»). Автором разработана математическаямодель, концепции функционирования, требования к графическим компонентам ИКТ. Автором реализовано подавляющее большинство из графическихкомпонент ИКТ, а так же реализованы ИКТ по дисциплинам «Методы оптимизации» и «Высшая математика. Интегральное исчисление. Дифференциальныеуравнения». Личный вклад в разработку учебных пособий:• «Вычислительная математика»: программирование вычислительныхалгоритмов для ИКТ, дизайн и наполнение гипертекстового электронного учебника. Дизайн обложки.17• «Методы оптимизации»: методология разработки и программированиекаркаса ИКТ, фуикциональное паполиение 12 из 18 трепажеров. Программирование графических компонент ИКТ. Дизайн обложки. Расчетна тренажерах задач для раздела «Курсовое проектирование».• «Высшая математика. Интегральное исчисление. Дифференциальныеуравнения»: реализация разработанной модели ИКТ, программирование каркаса 7 из 9 ИКТ и наполнение базы данных параметрическихзадач к ним (102 из 119). Разработка и реализация способа ввода математических выражений задаваемых в естественном (аналитическом)виде с помощью редактора формул Formulator.Структура и объем диссертации. Приведенные цели и задачи определяют структуру и содержание исследования. Диссертация состоит из введения,четырех глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и двух приложений. Общий объем диссертации - 158 страниц, в том числе 38 рисунков на27 страницах, 3 таблицы и листинга на 3 страницах.Автор выражает глубокую признательность научному руководителю,профессору кафедры АСУ ТУСУР, д.т.н. Мицелю А.А. за руководство, понимание и терпение, проявленные по отношению к автору в процессе его работынад диссертацией.Так же автор выражает благодарность коллективу кафедры АСУ за знания, полученные во время обучения в качестве студента и целеполагающиефакторы, сформировавшиеся в результате обучения и общения с коллективомкафедры.Автор благодарит всех студентов и аспирантов коллектива лаборатории«Мультимедиа», за поддержку и понимание, предлагаемые ими новые идеи иподходы, питавшие интеллект автора, а так же за помощь в реализации этихидей.Автор признателен своим друзьям и коллегам — Тепляшину А.Д. и Устинову А.В. за моральную, техническую и интеллектуальную поддержку.18Особенную благодарность автор выражает доценту каф. АСУ ТУ СУР,к.т.н. Романенко В.В., который, будучи идеологом создания комнлекса автоматизированной разработки электронных учебников, потратил немало сил и своего времени на консультации автора.