CREATION AND RESEARCH OF THE CLOUD- BASED SYSTEM FOR SELF-EDUCATION

Full Text

Введение Информатизация и совершенствование техно- логий обучения занимают одно из главных мест среди новых направлений развития образования. Облачные технологии [1; 2] являются одним из востребованных и активно развивающихся на- правлений в современном информационном мире. Они позволяют объединять ресурсы раз- личных аппаратных платформ в единое целое и предоставлять пользователю доступ к ним через локальную сеть или глобальную сеть Интер- нет [3]. Развитию инновационных технологий способствуют широкая доступность у населения различных видов современной видео-, аудиотех- ники и компьютеров, а также использование мо- бильных приложений [4]. В сфере образования изменяются технологии подачи материала: перспективным становится ис- пользование таких инновационных технологий, как облачные технологии [5; 6]. Речь идет о ком- пьютерных ресурсах и мощностях, которые разме- щаются все на Internet-сервисах и помогают поль- зователям в реализации целей, задач, проектов. Работа в компьютерной сети требует от специа- листа и просто обучаемого (например, студента), постоянного самосовершенствования, которое достигается его непрерывным самообразованием с целью получения новых знаний и знакомства с новейшими информационными технологиями. В этой связи естественным становится вопрос: как получать новые знания и с помощью каких средств [7]. Именно облачные технологии придают обу- чению качественно новые возможности, фор- мируют навыки самостоятельной учебной де- ятельности, стимулируют развитие дидактики и методики, способствуют созданию новых форм обучения и образования. Кроме того, в области самообразования [8] облачные технологии спо- собствуют повышению уровня квалификации специалистов. Облачные сервисы предлагают пользователям через сеть Интернет доступ к своим ресурсам по- средством облачных приложений. Методический комплекс по изучаемому курсу может храниться на облачном сервере, а сами пользователи по- средством приложения получают к нему доступ и используют его в любое удобное время для обу- чения и контроля полученных знаний. Постановка задачи При подготовке специалистов необходимо вы- яснить, насколько целесообразно внедрять об- лачные системы обучения в учебный процесс. Данная задача может быть решена как с исполь- зованием уже существующих облачных серви- сов, так и на примере создания своей облачной web-системы, предоставляющей пользователю необходимую информацию по изучаемой дисци- плине с последующей проверкой знаний посред- ством использования мобильных приложений. Концепция проекта по разработке облачных web-систем обусловлена внедрением облачных технологий для повсеместного целесообразного использования сетевого трафика и его оплаты по тарифу, что означает для потребителя оплату тех услуг, которыми клиент пользуется в реальном времени. В настоящее время существуют программы, в частности iSpring Suite, позволяющие быстро и эффективно разрабатывать электронные кур- сы для разного рода учреждений, а также создан образовательный портал [9] www.icanlearn.ru, где автор может разместить свой учебный курс. При этом пользователь может пройти обучение на этом сайте за определенную плату. Но, как по- казывает опыт общения со студентами, далеко не всем им доступна эта услуга. Поэтому для широкого использования web- сервиса целесообразно в образовательной ор- ганизации иметь свою собственную систему самообразования, с помощью которой можно эффективно повышать образование в разных об- ластях деятельности обучаемого. Методы решения задачи исследования Разработка облачной web-системы представ- ляет собой создание web-сайта [10], обеспечива- ющего пользователю возможность использовать различные интерактивные сервисы, которые работают в рамках данного web-сайта, а также иметь непосредственный доступ к данным сер- висам по кросс-платформенному приложению через облачный сервер. Особенность авторской системы заключается в ее разработке по технологии Open Source, ко- торая предполагает оставлять исходный код про- екта открытым. Это дает возможность при про- чих равных условиях к проектам предпосылки быстрого развития системы, так называемого эф- фекта «быстрого старта» и привлечения к нему заинтересованных пользователей. Исходный код данного проекта разделен на три части: управляемый код - не изменяется в ходе раз- работки: шаблон сайта (будущего web-портала); -независимый код - только один блок кода, на- меренно меняется и проверяется: валидация ис- ходного кода (валидатор w3.org); зависимый код - результат изменения из-за наличия независимого кода: отладка производит- ся в браузерах на облачном репозитории. Решение проблемы работы над проектом с из- меняющейся информацией достигается исполь- зованием компонента управления VCS (Version Control System). Кроме того, при создании проек- та использовалась система контроля версией про- екта Git с web-сервисом GitHub. Сервис беспла- тен для проектов с открытым исходным кодом. Система позволяет без затрат диагностировать работу интернет-ресурса в рабочем состоянии как Internet-сайт, а инструменты Git позволяют не только обновлять исходный код, но и поддержи- вать его на протяжении всего жизненного цикла проекта. Первым шагом при создании web-системы является разработка web-приложения. Приложе- ние позволит проекту корректно отображаться и функционировать на разных устройствах - ком- пьютере, планшете, мобильном телефоне с ис- пользованием разных операционных систем. Разработка базовой основы web-приложения включает в себя создание каркаса web-прило- жения - это встроенные шаблоны приложений в интегрированную среду разработки IDE, соз- дание базы данных для хранения информации, к которой получают доступ обучающиеся, созда- ние модели данных по технологии доступа к дан- ным - Entity Framework [11], удобной для работы при обработке данных. Entity Framework предоставляет возможность работы с базами данных через объектно-ориен- тированный код C#. Этот подход предоставляет ряд существенных преимуществ: пользователю не нужно беспокоиться о коде доступа к данным, не нужно знать деталей работы СУБД SQL Server и синтаксиса языка запросов T-SQL, вместо это- го он работает с таблицами базы данных как с классами языка C#, с полями этих таблиц - как со свойствами классов, а синтаксис SQL-запросов, который в ADO.NET раньше нужно было встав- лять в код C# в виде команд, заменен на более удобный подход с LINQ. Entity Framework берет на себя обязанности по преобразованию кода C# в SQL-инструкции. При работе с Entity Framework пользователю предоставляются огромные возможности по созданию модели базы данных с помощью инте- грированной среды разработки (IDE) Visual Stu- dio. Версия Entity Framework 4.1 предоставляет три подхода по проектированию базы данных, из которых пользователь может выбрать для себя подходящий. Database-First подходит для проектировщи- ков баз данных. Сначала создается база данных с помощью различных инструментов (например, SQL Server Management Studio), а затем генериру- ется EDMX-модель базы данных, которая предо- ставляет удобный графический интерфейс для взаимодействия с базой данных в виде диаграмм и объектную модель в виде классов C#. При дан- ном подходе необходимо работать с SQL Server и хорошо знать синтаксис T-SQL, но при этом не нужно разбираться в синтаксисе языка C#. Model-First подходит для архитекторов. Сна- чала создается графическая модель EDMX в Vi- sual Studio (в фоновом режиме создаются клас- сы C# модели), а затем генерируется на основе диаграммы EDMX база данных. При данном под- ходе не нужно знать ни деталей T-SQL, ни синтак- сиса C#. Code-First подходит для программистов. При данном подходе модель EDMX вообще не ис- пользуется, пользователь «вручную» настраивает классы C# объектной модели. Подход поддержи- вает как генерацию сущностных классов из суще- ствующей базы данных, так и создание базы дан- ных из созданной вручную модели объектов C#. Очевидно, что это подходит для программистов, хорошо знакомых с синтаксисом C#. В данном проекте использовался подход Code-First, так как он позволяет поддерживать жизненный цикл ис- ходного кода приложения. Это связано с тем, что стандарт на язык C# ежегодно редактируется и выходят все более новые версии как технологий, так и языка программирования. Рисунок 1. Структура клиентского приложения базовой основы web-приложения Рисунок 2. Схема взаимодействия приложения с сервером Web Server Структура клиентского приложения базовой основы web-приложения представлена на рисун- ке 1. В проекте предусматривается, что пользова- тели web-приложения смогут выполнять следу- ющие действия: регистрироваться при входе в систему; получать доступ и изучать теоретический материал, представленный в формате статей; просматривать список зарегистрированных в системе студентов; тестироваться для проверки степени усвое- ния нового материала; вводить другую служебную информацию. Все сущности в приложении принято выделять в отдельные модели (MODEL). В зависимости от поставленной задачи и сложности приложения можно выделить различное количество моделей. Например, в приложении использовались следу- ющие модели: класс для регистрации, класс для просмотра статей и класс для просмотра списка студентов. Данные моделей хранятся в базе дан- ных (Database). Для работы с базой данных очень удобно пользоваться фреймворком Entity Frame- work, который позволяет в проекте абстрагиро- ваться от написания SQL-запросов, от строения базы данных и полностью сосредоточиться на логике приложения. После создания web-приложения создается web-сайт, на котором размещается часть инфор- мации. В основном при создании web-систем сайты ограничиваются так называемыми landing page или web-страницами, поскольку основной контент информации развернут на сервере (в дан- ном случае в Web Server) - см. рисунок 2. Развертка web-сайта в сети Интернет происхо- дит в четыре этапа: выбор поддерживаемых браузеров; выбор системы контроля версии; отладка на облачном репозитории; выбор доменного имени и хостинг-сервера. На данный момент кросс-платформенное приложение разработано по технологии UWP (Uni- versal Windows Platform) с использование пакета прикладного программного обеспечения для раз- работчиков Visual Studio Community 2017 [12]. Пользователь запускает приложение, автори- зуется, после чего у него появляется возможность изучать материал в виде статей. Кроме того, для проверки усвоения изучаемого материала преду- смотрена функция тестирования. Результаты тестов сохраняются на сервере базы данных, что защищает результаты тестируемого от потери данных, например, после переустановки прило- жения. Это дает возможность не привязываться пользователю к конкретному устройству. Прило- Рисунок 3. Запуск, идентификация, принятие лицензионного соглашения пользователем жение поддерживается стационарными компью- терами, ноутбуками, планшетами, смартфонами. Важно отметить, что сам физический облач- ный сервер не используется в данном проекте, а используются услуги кампаний, арендующих виртуальные облачные VDS/VPS Linux-серверы. Так как в России развивается по программе им- порт замещения, именно Linux-серверы, то це- лесообразно было разделить жизненные циклы приложения и сайта. Это дает возможность ре- ализовать независимость исходного кода при- ложения от исходного кода системы в целом, и поэтому разработка, внедрение и техническая поддержка приложения удешевляются. И в даль- нейшем при необходимости будет возможность модифицировать приложение не только под OS Windows, но и для Android и IOS. На данный момент функционирует beta- версия системы, которая адаптирована под раз- ные устройства, в том числе и мобильная версия beta-версии приложения, которая позволяет про- верить уровень знаний усвоенного материала из статей, расположенных на сайте, посредством выполнения тестов. Для проверки работоспособ- ности приложения тест приложения выполнялся как локально на эмуляторе Windows 10 mobile, так и на физическом устройстве Microsoft Lumia 650 SS. Следующим шагом по внедрению разрабо- танной web-системы в учебный процесс является объективная оценка эффективности обучения студентов с использованием облачных техноло- гий. В настоящее время существуют методики оценки результатов экспериментов в педагоги- ческой деятельности преподавателей ряда вузов [13-15]. Они основаны на статистической обра- ботке и анализе результатов педагогических экс- периментов по внедрению инновационных мето- дик [16; 17]. Для оценки эффективности внедрения но- вых методик из обучающихся студентов были сформированы две группы: экспериментальная, обучающаяся с применением разработанной об- лачной web-системы, и контрольная - по тради- ционной методике обучения. Были оценены 98 студентов первого курса бакалавриата направления телекоммуникации по дисциплине «Информатика». Для определе- ния начального состояния в начале семестра был проведен тест, составленный по курсу школьной программы, показавший отсутствие статистиче- ских значимых различий в экспериментальной и контрольной группах. Контрольная группа из NК = 50 студентов проходила курс обучения по традиционной методике, а экспериментальная - из NЭ = 48 студентов обучалась с использованием созданной web-системы. В конце семестра обу- чения был проведен контрольный тест, выявля- ющий приобретенные знания за первый семестр обучения дисциплины «Информатика». Рисунок 4. Примеры тестов, используемых в приложении Результаты исследования В ходе проделанной работы по созданию web- системы образования было разработано мобиль- ное приложение, работа которого представлена на рисунках 3 и 4. Предполагается разрабатыва- емое приложение устанавливать на мобильные устройства студентов с целью получения ими знаний по изучаемым предметам с последующим тестированием студентов на предмет усвое- ния этих знаний для контроля их эффективного обучения. На рисунке 3 отображен первый запуск прило- жения с идентификацией, которая представляет собой ввод электронной почты обучаемого, а так- же ознакомление с лицензионным соглашением и правилами использования Internet-ресурсов. На рисунке 4 показаны сами тесты, которые проходит студент для контроля усвоения матери- ала. Результаты тестирования пользователю при- ходят на его электронный ящик после проверки заданий. Такой режим работы приложения свя- зан со спецификой заданий: среди предлагаемых вопросов есть и те, на которые нужно ответить пользователю самостоятельно. В приложении предусмотрено, что тестирование студент может проходить многократно, пока результат тестиро- вания его не удовлетворит. типу представления на одиночный выбор; мно- жественный выбор; открытый; соответствие; упорядоченный список. Весь курс предмета разбивается на дидакти- ческие единицы, соответствующие разделам ра- бочей программы изучаемой дисциплины. Для каждого раздела формируется база вопросов. Из этих вопросов далее формируется зачетный тест, который предоставляется студентам в конце семестра. По результату тестирования выставляются оценка, количество набранных баллов, количе- ство правильных и неправильных ответов. Разо- вое тестирование темы - одной дидактической единицы - ограничивается временем (20 мин), а количество тестирований одной темы ограни- чивается трехкратным предоставлением сфор- мированного теста случайным образом выбран- ных вопросов из базы вопросов по данной теме. В зависимости от сложности вопросов (узнава- емость, задания с применением одного правила или более двух правил) они оцениваются от 1 до 3 баллов. Результат зачетного тестирования (40 мин) приведен в таблице 1. Здесь KУ - коэффициент усвоения учебной информации отдельными сту- дентами, который вычисляется по формуле (1) [14] и находится в диапазоне 0,1 … 1: Тесты представляет собой набор вопросов по изучаемой теме. Вопросы подразделяются по K  NÏÐ , Ó N (1) Таблица 1. Коэффициент усвоения по результатам тестирования в разных группах Группа /частота попадания ni KУ 0,1-0,2 0,2-0,3 0,3-0,4 0,4-0,5 0,5-0,6 0,6-0,7 0,7-0,8 0,8-0,9 0,9-1,0 Экспериментальная NЭ = 48/ni 0 0 1 2 4 8 15 12 6 Контрольная NK = 50/ ni 1 2 3 4 7 10 12 8 3 Таблица 2. Интегральный ряд распределения групп студентов в экспериментальной выборке Экспериментальная группа NЭ = 48 KУ 0,1-0,2 0,2-0,3 0,3-0,4 0,4-0,5 0,5-0,6 0,6-0,7 0,7-0,8 0,8-0,9 0,9-1,0 ni 0 0 1 2 4 8 15 12 6 Wi 0 0 0,021 0,042 0,083 0,167 0,313 0,25 0,125 i 0 0 0,208 0,417 0,833 1,667 3,125 2,5 1,25 Таблица 3. Интегральный ряд распределения групп студентов в контрольной выборке Контрольная группа NK = 50 KУ 0,1-0,2 0,2-0,3 0,3-0,4 0,4-0,5 0,5-0,6 0,6-0,7 0,7-0,8 0,8-0,9 0,9-1,0 ni 1 2 3 4 7 10 12 8 3 Wi 0,02 0,04 0,06 0,08 0,14 0,2 0,24 0,16 0,06 i 0,2 0,4 0,6 0,8 1,4 2 2,4 1,6 0,6 где NПР - число правильных ответов, N - общее число вопросов в тесте. Все расчеты проводи- лись в математическом пакете Mathcad. Для удобства представления результата рас- чета данные таблицы 1 сгруппированы следую- щим образом: весь интервал изменения KУ разбит на i = 9 равных частичных интервалов длиной h  0,1 и подсчитана ni частота попадания KУ в каждый из полученных интервалов. Как видно из результатов сравнения усвоения учебного материала студентами двух групп, ско- рости изменения KУ у них разные. Рассчитаем рядов распределения коэффициентов усвоения учебного материала отдельными студентами экс- периментальной и контрольной групп приведены в таблицах 2 и 3 соответственно. Проведем статистическую обработку данных, полученных в результате тестирования, и подсчи- таем по каждой из двух групп: выборочные средние xВ; выборочные дисперсии DВ; выборочные среднеквадратичные отклоне- ния В, найденные по формулам 9 9 2 относительную частоту Wi попадания количества студентов для разных групп коэффициентов усвоения в экспериментальных и контрольных выxB   Ky ni i 1 , N DB  (K yi - xB ) ni i 1 , N (3) борках и ее плотность i по соответствующим B  DB . формулам: W  ni ,   Wi , (2) Результаты расчета числовых характери- стик (3) изменения коэффициентов усвоения i N i h где NЭ = 48 и NK = 50 в разных исследуемых вы- борках эксперимента. Для иллюстрации сравнения результатов экс- перимента приведем на рисунке 5 графики плот- ности распределения числа студентов для всех групп KУ в диапазоне от 0 до 1, рассчитанных по учебного материала отдельным студентом экспериментальной и контрольной групп приведены в таблице 4. Кроме усредненных значений произведем сравнение рассеивания результатов тестирования относительно выборочной средней величины. Вычислим для этой цели коэффициент вариации V: формулам (2). На приведенном графике  - эксперимен- V  B 100%, xB (4) тальная выборка и k - контрольная выборка (штриховая линия). Результаты интегральных используемый для сравнения рассеивания вариа- ционных рядов: Таблица 4. Основные числовые характеристики коэффициентов усвоения Статистические показатели Экспериментальная группа Контрольная группа Среднее выборки xВ 0,70 0,60 Дисперсия выборки DВ 0,02 0,036 Среднее квадратичное отклонение выборки В 0,14 0,19 Рисунок 5. Линии плотности распределения студентов для разных групп коэффициентов усвоения Kу V  0,14100 %  20 % для эксперименталь- 0, 7 ной группы, V  0,19100 %  31 % для контрольной 0, 6 группы. Обсуждение результатов Из сравнения результатов эксперимента в двух группах в виде графиков плотности распределе- ния количества студентов для групп KУ в диапа- зоне от 0 до 1 видно, что максимальное усвоение материала отдельными студентами приходится на коэффициент усвоения в диапазоне от 0,75 … 0,85. Причем лучшее усвоение учебного матери- ала при KУ = 0,8 наблюдается в эксперименталь- ной группе по сравнению с контрольной. Частота попадания коэффициентов усвоения в интервалы 0,1 … 1,0 изменяется по нормальному закону, что хорошо иллюстрирует рисунок 5. Анализируя приведенные в таблице 4 средние результаты тестирования в экспериментальной и контрольной группах, видим, что средний резуль- тат в экспериментальной группе xВ  0,70 лучше среднего результата в контрольной группе xВ   0,60 на 10 %. Это говорит об эффективности применения разработанной web-системы по об- лачной технологии, и эта система может быть применена в учебном процессе. Расчеты коэффициента вариации по форму- ле (4) показывают, что в экспериментальной группе к концу обучения не только увеличился средний результат (на 11 % по сравнению с кон- трольной группой), но и уменьшилось рассеива- ние результатов относительно среднего (с 31 до 20 %), что, безусловно, подтверждает эффектив- ность обучения с использованием облачных тех- нологий и доступной для студентов разработан- ной web-системы. Заключение Создание web-сайта и приложения, позволя- ющего пользоваться услугами этого сайта, экс- перимент по внедрению web-системы в учебный процесс, а также анализ и обработка результатов тестирования позволяют сделать вывод, что эф- фективность обучения студентов с использовани- ем облачных технологий на 10 % выше, чем при традиционной методике обучения. Кроме того, уменьшилось рассеивание результатов тестиро- вания относительно выборочной средней в экс- периментальной группе, которая пользовалась разработанной облачной web-системой. Однако рассчитанный коэффициент рассеивания резуль- татов тестирования, хотя и снизился с 31 до 20 % при использовании облачной web-системы, все же отображает факт о недостаточности усвоения учебного материала студентами, что означает, что часть студентов будет нуждаться в дополни- тельной самообразовательной деятельности для достижения удовлетворительного формирования самообразовательной компетенции. По мнению авторов, имеет смысл продолжить работу как в направлении совершенствования методов подачи изучаемого материала с помо- щью web-системы, так и в направлении поиска и разработки новых эффективных инновационных методов обучения. А поскольку облачные техно- логии могут быть применены не только в системе образования, то следующим этапом работы пред- полагается созданное приложение адаптировать и под процесс самообучения самих сотрудников образовательных учреждений.

About the authors

I. A Stefanova

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: aistvt@mail.ru
Samara, Russian Federation

A. V Bragin

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: mbrspec@mail.ru
Samara, Russian Federation

References

Supplementary files