«Разработка информациионной системы “Среда визуального моделирования MvStudium”»

Особое место занимает среда визуального моделирования MvStudium, которая является высоковоспроизводительной визуальной средой для разработки компонентных моделей сложных динамических систем.

MvStudium использует объектно – ориентированный язык моделирования высокого уровня, который позволяет качественно и быстро создавать сложные модели. MvStudium – это интегрированная среда, которая позволяет разрабатывать непрерывные, дискретные и гибридные (непрерывно-дискретные) модели и проводить вычислительные эксперименты с разработанными моделями.

Для того чтобы пользователь смог использовать ту или иную среду визуального моделирования, необходимы информационные системы или ресурсы, позволяющие обучить его технологиям программирования в данной среде.

Проанализировав информационные ресурсы, учебники по визуальному моделированию в среде MvStudium, можем сказать, что большинство пособий существуют в традиционной книжной или его цифровой форме.

Проблема исследования: проанализировав предметную область, мы не обнаружили электронных пособий, описывающих и обучающих технологии моделирования в среде визуального MvStudium.

Тема исследования: разработка электронного пособия «Среда визуального моделирования Mvstudium».

Актуальность исследования: обоснована на том, что информационной системы в электронном виде для изучения и визуального моделирования на MvStudium как таковой и нет. Есть учебники в цифровой форме, выпушенные разработчиками программного средства, большинство которых существует в платной форме.

Объектом исследования является информационные системы в виде электронного пособия.

Предметом исследования разработка электронного пособия «Среда визуального моделирования MvStudium».

Целью исследования является проектирование и разработка электронного пособия по системе визуального моделирования MvStudium.

В соответствии с поставленной целью необходимо определить задачи исследования:

− Анализ предметной области;

− Разработка технического задания;

− Разработка структуры электронного пособия;

− Проектирование электронного пособия;

− Подбор контента согласно структуре;

− Разработка электронного пособия.

Практическая значимость исследования состоит в том, что разработанный электронный ресурс может применяться в процессе обучения студентов методам визуального моделирования систем, а также при разработке и анализе сложных динамических, непрерывных, гибридных моделей с использованием среды визуального моделирования MvStudium.

Многие учебные заведения разрабатывают и активно внедряют в процесс обучения компьютерные технологии. Это обусловлено тем, что:

− компьютеры повышают качество и эффективность учебного процесса;

− время на подготовку учебного процесса ограничено;

− увеличение объемов знаний для подготовки специалистов.

Необходимость использования и создания обучающих программ и электронных пособий возникла не из-за того, что компьютеры стали для нас обыденным, а из-за невозможности повышения эффективности и автоматизирования учебного процесса без их применения.

В настоящее время существует множество определений электронного пособия:

− электронное пособие представляет собой конечный мультимедийный продукт, который разрабатывается с помощью применения языков программирования или гипертекстовой технологии;

− это программное средство или ресурс, который является дополнением печатных изданий;

− это совокупность информационных и программных обучающих средств, предназначенных для изучения отдельной дисциплины.

Рассмотрим классификацию электронных средств обучения:

− программно - методические;

− учебно - теоретические (обучающие);

− учебно - практические (вспомогательные);

− учебно - методические;

− контролирующие.

Программно – методические обучающие средства включают в себя учебный план, учебные программы, которые являются нормативными документами, характеризующие основное содержание подготовки специалистов и их квалификацию, определяющие содержание, объем, порядок изучения дисциплины.

Обучающие электронные средства, в свою очередь, подразделяются на следующие типы: электронный учебник, электронное учебное пособие, электронный курс лекций, конспекты лекций.

Электронный учебник – материал, который содержит систематическое изложение знаний в определённой области и используется как в системе образования, на различных её уровнях, так и для самостоятельного обучения [26].

Электронное учебное пособие – учебно-теоретическое издание, которое частично или полностью заменяет или дополняет печатное издание.

Курс и конспект лекций тоже относятся к учебно – теоретическим видам издания, которые отражают весь материал определенного курса и дисциплины соответственно.

Учебно – практические средства образования включают: практикумы, сборник задач, сборники лабораторных и контрольных работ, хрестоматии, которые содержат систематизированные материалы для усвоения и самопроверки этого материала.

Учебно – методические издания характеризуются наличием материалов по методике преподавания учебной дисциплиной, изучению определенного курса, выполнению рефератов, курсовых и дипломных работ.

Контролирующие электронные издания представляют некие банки контрольных заданий и вопросов, рефератов, тесты и тестирующие оболочки, которые помогают при проверке и контроле знаний по определенному курсу или дисциплине.

Таким образом, основным принципом классификации электронных пособий является характеристика их функций. То есть электронные пособия можно отнести к учебникам, и применить принципы классификации учебников. С другой стороны, по технологиям создания электронных обучающих средств, электронные издания являются программными средствами. Это значит, что при классификации электронных пособий, также должны учитываться их принадлежность к программным средствам.

Теперь рассмотрим классификацию электронных изданий в соответствии ГОСТ 7.83-2001 «Электронные издания. Основные виды и выходные сведения» [21].

Согласно этому ГОСТу электронные издания различают:

− по наличию печатного эквивалента (цифровая форма какого- либо печатного издания, электронное издание не имеющее электронных аналогов);

− по природе основной информации (электронные издания в текстовой и изобразительной форме);

− по целевому назначению (электронные издания официального характера, научные, научно - популярные, производственно - практические, учебное, справочные, художественные, рекламные и др.);

− по технологии распространения (электронные издания, предназначенные для локального и сетевого использования);

− по характеру взаимодействия пользователя и электронного издания (электронные издания,способ взаимодействия с которым определяются разработчиком или пользователем);

− по периодичности (электронные издания, разрабатываемые однократно, в течении продолжительного времени, периодические,обновляемые);

− по структуре (однотомные, многотомные, электронные серии).

В соответствии с классификацией проектируемое нами электронное учебное пособие можно отнести к самостоятельному электронному изданию; символьному электронному изданию; учебному электронному изданию; электронному изданию комбинированного распространения; обновляемому электронному изданию; однотомному электронному изданию.

1.2. Обзор электронных пособий по математическому моделированию

В институте профессионального обучения и информационных технологий на протяжении многих лет исследуется сфера имитационного моделирования. Студентами и аспирантами в рамках курсовых, дипломных работ ведутся научные исследования и разрабатываются различные информационные системы обучения, в том числе электронные пособия и учебники. Например, электронные учебники по таким средам моделирования как, AnyLogic, Labwiew, Simulink, VisSim, Derive и т.д.

Использование в электронных изданиях различных информационных технологий (мультимедиа, гипертекст) дает весомые дидактические преимущества электронной «книге» по сравнению с традиционной:

− в технологии мультимедиа создается обучающая среда с ярким и наглядным представлением информации;

− осуществляется интеграция значительных объемов информации на едином носителе;

− гипертекстовая технология благодаря применению гиперссылок упрощает навигацию и предоставляет возможность выбора индивидуальной схемы изучения материала;

− на основе моделирования процесса обучения становится возможным дополнить учебник тестами, отслеживать и направлять траекторию изучения материала, осуществляя, таким образом, обратную связь [5].

Вышеперечисленные возможности можно увидеть в таком электронном учебнике, как «Открытая физика» фирмы «Физикон». Он представляет собой полный курс физики для школьников VII – XI классов и абитуриентов., который работает в режиме диалога с обучаемым. Учебник содержит более 80 компьютерных экспериментов, учебное пособие, видеозаписи экспериментов, звуковые пояснения.

Рисунок 1 – Открытая физика: титульная страница

Область применения программы: использование во время уроков, а также при индивидуальном обучении, проведении лабораторных работ.

К отрицательным сторонам можно отнести следующее: невозможно сохранить и отредактировать выходные данные, для работы с курсом необходимо постоянное присутствие CD диска, невозможно копирование и распространение пособия, но возможно записать пособие на другой CD диск.

Практикум по компьютерному моделированию физических явлений и объектов. Автором этого практикума является д. ф.-м. н., профессор Маликов Р. Ф. Это пособие может быть использовано при проведении вычислительного практикума, при чтении лекций по математическому и компьютерному моделированию и при постановке задач по курсовому и дипломному проектированию преподавателями вузов, учителями, аспирантами.

Рисунок 2 – Компьютерное моделирование: титульная страница

Состав электронного пособия:

− первая глава описывает общие понятия о моделях, математическом моделировании, приводит классификацию моделей, рассматривает этапы математического моделировании и характеризует различные методы процесса моделирования физических систем и объектов.

− вторая глава рассматривает методы численного решения математических моделей физических объектов, представленных в виде обыкновенных дифференциальных уравнений.

− в третьей главе приведены технологии компьютерного моделирования с помощью систем компьютерной математики.

− в следующих главах приведены математические модели физических явлений и объектов, по механике, молекулярной физике, электричеству, оптике, квантовой физике, которые можно решить методами компьютерного моделирования.

Данное электронное учебное пособие позволяет проводить обучение методам математического и технологиям компьютерного моделирования с применением таких математических и графических пакетов, языков программирования, как MAPLE, MathCAD, Pascal, Origin, Excel.

Копирование и распространение электронного пособия возможно за счет нахождения всех компонентов на одном CD. Пользователям данного учебного издания предлагается познакомиться с пособиями других авторов по Maple, MathCAD, Matlab, Mathematica и т.д., что позволяет сформировать базовые знания и навыки работы с этими системами.

Данное электронное пособие может применяться при подготовке к лекциям, проведении практических занятий, а также самостоятельного изучения материала, проведении виртуальных лабораторных экспериментов.

Однако для того, чтобы пользователь мог самостоятельно выбрать данные, которые необходимо вывести на график или сохранить для оформления полученных результатов в ряде случаев необходимо пользоваться специальными графическими пакетами или менять код программы, реализующих алгоритм. Все это, в свою очередь, делает процесс моделирования более сложным и трудоёмким.

Еще один пример электронного пособия: Введение в систему MathCAD.

Рисунок 3 – Введение в систему MathCAD: титульная страница

Авторами данного электронного пособия являются кафедра общей физики БГПУ им. Акмуллы.

Электронное пособие содержит руководство по выполнению лабораторных работ по следующим курсам: вычислительная физика, математическое моделирование физических задач. Каждая лабораторная работа содержит краткое описание методов вычислений, примеры, порядок выполнения лабораторной работы и варианты индивидуальных заданий для группы студентов из 15 человек и контрольные вопросы.

Электронное пособие «Введение в систему MathCAD» можно рассматривать как электронный вариант печатного издания, имеющего значительно больше возможностей для копирования и распространения. Весь материал электронного пособия четко структурирован и разделен по тематическим разделам.

Отрицательными сторонами пособия является невозможность просмотра учебного пособия без установки программы Adobe Reader. Пособие не обладает интерактивностью, не использует мультимедийные возможности компьютера.

Электронное методическое пособие «Основы численного моделирования».

Рисунок 4 – Основы численного моделирования: титульная страница

Электронное учебное пособие «Основы численного моделирования» является методическим пособием по курсу компьютерного моделирования.

Авторы электронного пособия: научный руководитель д. ф.-м. н., профессор Маликов Рамиль Фарукович, программирование и подбор контента Карманов Д.В.

Данное электронное учебное пособие позволяет проводить обучение методам математического и технологиям компьютерного моделирования с применением таких математических и графических пакетов, языков программирования таких, как MAPLE, MathCAD, Pascal, Origin, Excel.

Электронное пособие может применяться при проведении практических занятий, так как содержит множество лабораторных работ, рассматривающих свыше 16 физических процессов и явлений. Лабораторные работы содержат задачи, которые моделируется и решаются в следующих математических пакетах и языках программирования, как MAPLE, MathCAD, Pascal, Origin, Excel.

Электронное пособие и его компоненты находятся на одном CD и могут распространятся и копироваться в любую директорию или носитель, необходимые программы находятся там же и их не обязательно устанавливать на компьютер. Автономность и самодостаточность электронного учебного пособия экономят время преподавателя и студентов, делая процесс обучения более продуктивным. В данной учебной работе реализуется принципы наглядности, интерактивности.

Также, пособие содержит весьма полезные ссылки на различные информационные ресурсы.

Данное электронное учебное пособие может быть полезно при подготовке к лекциям, проведении практических занятий, а также самостоятельного изучения материала, позволяет проводить виртуальные лабораторные эксперименты.

Поскольку данное электронное учебное пособие реализовано с помощью гипертекстовой технологии, то к достоинствам данного учебного пособия также следует отнести возможность редактирования, модификации и расширения его содержания, введения нового материала и разделов.

Отрицательные стороны. Для того чтобы пользователь мог самостоятельно выбрать данные, которые необходимо вывести на график или сохранить для оформления полученных результатов, в некоторых случаях необходимо пользоваться специальными графическими пакетами или менять код программы, реализующих алгоритм, что делает процесс моделирования более сложным и трудоёмким.

Таким образом, рассмотрев некоторые примеры электронных пособий, выявили положительные и отрицательные стороны этих электронных пособий.

Все рассматриваемые электронные пособия ориентированы на обучение технологиям компьютерного моделирования в средах математического моделирования и характеризуются общими методами и технологиями разработки. Большинство из них реализованы с помощью гипертекстовой технологии, которая является самой распространенной технологией создания электронных пособий. Но, тем не менее, они имеют ряд отрицательных сторон.

1.3. Выбор средств проектирования и разработки электронного пособия

1.3.1. Анализ технологий проектирования и разработки электронных пособий

Одними из наиболее используемых в образовании информационных технологий по праву можно считать технологии, нацеленные на хранение и представление информации. В различных изданиях к ним предлагается относить методы, способы и алгоритмы, используемые при построении баз данных, презентационные и некоторые другие информационные технологии [24].

Существуют три основные технологии проектирования электронного пособия:

− проектирование на языке программирования высокого уровня (в сочетании с технологиями баз данных);

− проектирование с помощью специализированного инструментального средства.

− гипертекстовые технологии;

При использовании языков программирования высокого уровня пособие реализуется как программный комплекс и представляет отдельный исполняемый модуль. Главное преимущество этого подхода состоит в том, что использование языков программирования высокого уровня (Object Pascal, С++) и мощных систем управления базами данных позволяет реализовать любые идеи, тогда как прочие технологии делают это довольно сложным. В таком случае, каждый электронный учебник становится весьма дорогостоящим продуктом, при создании которого основные усилия затрачиваются на решение чисто технических проблем.

Во второй главе для проектирования и создания электронного пособия разработали техническое задание, которое включает в себя общее положение и требования, состав и структуру, дизайн, назначение и цели создания электронного пособия. В разделе разработка контента и содержания электронного пособия определили этапы разработки содержания электронного пособия, которые включают: обзор научной литературы по визуальному моделированию в среде MvStudium, систематизация и обработка накопленного материала, разбиение имеющегося материала на разделы, то есть структуризация, редактирование и разработка контента. Составили содержание электронного пособия согласно этапам разработки и структуре, которая была определена в техническом задании.

Для более точного определения информационных потоков, возникающих при разработке электронного пособия, рассмотрели модель информационных потоков, реализованных в системе моделирования и документирования бизнес-процессов BPwin.

В третьей главе описали этапы разработки электронного пособия согласно разработанному проекту и техническому заданию. Разработали сопроводительный документ, который содержит сдедующие пункты:

− программа и методика испытаний;

− руководство пользователя;

− руководство программиста.

В разделе технико – экономическое обоснование провели расчет стоимости разработки электронного пособия и выявили его экономическую эффективность.

Подводя итоги, следует сказать, что поставленная цель выпускной квалификационной работы достигнута. Было спроектировано и разработано электронное пособие, позволяющее проводить обучение методам визуального моделирования и строить различные модели в среде MvStudium.

Согласно поставленной цели были решены следующие задачи:

− Произведен анализ предметной области, где были проанализированы существующие электронные пособия по данной тематике, а также средства проектирования и разработки электронных пособий;

− Разработано техническое задание на разработку электронного пособия, которое включает в себя цели и назначение, состав и структуру, требования к создаваемому пособию;

− Разработана структура и содержание электронного пособия;

− Разработан проект электронного пособия в системе моделирования документирования бизнес – процессов BPwin, который описывает процессы реализации электронного пособия;

− Произведен подбор контента согласно содержанию электронного пособия и реализован интерфейс электронного пособия;

− Произведен расчет затрат на разработку электронного пособия и определена его экономическая эффективность.

5. Захарова, И. Г. Информационные технологии в образовании [Текст]: учеб. пособие для вузов [Текст] / И. Г. Захарова. – М.: Академия, 2007. – 192 с.

6. Кознов, Д. В. Основы визуального моделирования [Текст] / Д. В. Кознов. – М. : Бином, 2007. – 236 с.

7. Колесов, Ю. Б. Визуальное моделирование [Текст] / Ю. Б. Колесов, Ю.Б. Сениченкова. – Спб.: Мир и Семья, 2009. – 242 с.

8. Колесов Ю.Б. Компонентные технологии математического моделирования [Текст]:учебник / Ю.Б. Колесов, Ю.Б. Сениченков. – СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2012. – 223с

9. Колесов Ю.Б. Моделирование систем. Практикум по компьютерному моделированию [Текст]: практикум / Ю.Б. Колесов, Ю.Б. Сениченков. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 352с.

10. Колесов Ю.Б. Моделирование систем. Объектно-ориентированный подход [Текст]: учебник / Ю.Б. Колесов, Ю.Б. Сениченков. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 192с.

11. Колесов, Ю. Б. Объектно-ориентированное моделирование сложных динамических систем [Текст]: учебник / Ю. Б. Колесов. – СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2004. – 240 с.

12. Полат Е.С. Новые педагогические и информационные технологии в системе образования [Текст]: учебное пособие / Е.С. Полат, М.Ю. Бухарина, М.В. Моисеева, А.Е. Петров. – М.: Академия, 2006 – 272 с.

13. Прошин А. HTML. Экпресс курс [Текст] / А. Прошин – СПб. : БХВ-Петербург, 2007. – 256 с.

14. Пущин М. Н. Проектирование информационных систем [Текст]: учебное пособие / М. Н. Пущин – М. : МИЭТ, 2008. – 226 с.

15. Наваррно Э. XHTML. Программирование [Текст] / Э. Наварро – Спб. : Питер, 2008. – 282 с.

16. Сениченков Ю.Б. Моделирование. Компьютерный практикум [Текст] / Ю.Б. Сениченков. – СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2013. - 189с.

17. Сениченков Ю.Б. Численное моделирование гибридных систем [Текст] / Ю.Б. Сениченков. – СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. – 206с.

18. Халитова Т.Б.Моделирование сложных систем в среде MvStudium [Текст] / Т.Б. Халитова, Р.Ф. Маликов, М.В. Аккужин – Международная научно-техническая конференция \"Перспективные информационные технологии\". Сборник научных трудов. – 2013. с. 373-377.

19. Визуальное программирование [Электронный ресурс]. Режим доступа: h**t://ru.wikipedia.org/wiki/, свободный.

20. Вуль, В. А. Электронные издания[Текст] / В. А. Вуль. – СПб.: Петербургский институт печати, 2003. – 560 с. [Электронный ресурс]. Режим доступа: h**t://w*w.twirpx.com/file/307879/, свободный.

21. ГОСТ 7.83—2001 Электронные издания. Основные виды и выходные сведения [Электронный ресурс]. Режим доступа: h**t://w*w.remstroybaza.r*/-783-2001-lektronnie-izdaniya-snovnie-vidi-i-vihodnie-svedeniya.html, свободный.

22. ГОСТ 19.301-79 Единая система программной документации. Программа и методика испытаний. Требования к содержанию и оформлению. [Электронный ресурс]. Режим доступа: h**t://gostexpert.r*/gost/gost-19.301-79, свободный.

23. ГОСТ 34.602-89 Техническое задание на создание автоматизированной системы [Электронный ресурс]. Режим доступа: h**t://w*w.it-gost.r*/content/view/21/39/, свободный.

24. Григорьев С.Г. Информатизация образования. Фундаментальные основы [Текст] / С.Г. Григорьев, В. В. Гришкун – М.: 2005[Электронный ресурс]. Режим доступа: h**t://w*w.twirpx.com/file/1101536/, свободный.

25. Корпоративный сайт [Электронный ресурс]. Режим доступа: h**t://w*w.artus.r*, свободный.

26. Учебник [Электронный ресурс]. Режим доступа: h**t://ru.wikipedia.org/wiki/, свободный.

27. Электронное учебно-методическое пособие по информационным технологиям [Электронный ресурс]. Режим доступа: h**t://media.miu.by/files /store/items/npsmu-apn-xxi/ii/science-xxi_2012_seminar_17.pdf, свободный.

28. Электронные учебники: рекомендации по разработке, внедрению и использованию интерактивных мультимедийных электронных учебников нового поколения для общего образования на базе современных мобильных электронных устройств. М.: Федеральный институт развития образования, 2012. 84 с.[Электронный ресурс]. Режим доступа: h**t://w*w.twirpx.com/file/1348595/, свободный.

29. Adobe Photoshop [Электронный ресурс]. Режим доступа: h**t://ru.wikipedia.org/wiki/Adobe_Photoshop, свободный.

30. RAND MODEL DESIGNER (RU)- среда моделирования сложных динамических систем [Электронный ресурс]. Режим доступа: h**t://w*w.mvstudium.com h**t://w*w.mvstudium.com, свободный.