CC BY
88
Зеленко Л.С.,
Самарский государственный аэрокосмический университет имени акад. С.П.Королева (национальный исследовательский университет)
к.т.н., доцент кафедры программных систем
Загуменнов Д.А.
аспирант кафедры программных систем
Принципы разработки виртуальной обучающей системы
«3Ducation»
Аннотация
В статье рассматриваются вопросы, связанные с разработкой виртуальной обучающей системы; обосновывается выбор проектных и программных решений, в частности, применения технологии виртуальных миров, позволяющей обеспечить погружение обучаемого в 3D-пространство; описываются структуры учебного курса и виртуального пространства.
Введение
Виртуальная обучающая система (среда) - относительно новый вид образовательных систем, который объединяет в себе особенности традиционных систем обучения и обучающих сред. Современные информационные и телекоммуникационные технологии, в первую очередь, интернет-технологии, являются средством технологической поддержки обучения и обеспечивают доступ к разнообразным мультимедийным ресурсам, размещенным на удаленных серверах. Объем хранимой на них информации уже не имеет принципиального значения, значит, обучение может стать более интересным и насыщенным за счет использования в процессе обучения объектов 3D-графики, видеоматериалов и др.
Виртуальная обучающая система (ВОС) «3Ducation» разрабатывается под руководством авторов на кафедре «Программные системы» факультета «Информатика» Самарского государственного аэрокосмического университета (СГАУ) в рамках проекта «Школа информатики СГАУ».
Система предназначена для дистанционного обучения школьников средних и старших классов базовому курсу «Информатика» и подготовки их к сдаче ЕГЭ по данной дисциплине.
Обоснование выбора технологии построения ВОС
Разрабатываемая система широко использует игровой подход и возможности технологии виртуальной реальности (Virtual Reality) или виртуальных миров. Виртуальные миры, безусловно, уступают по
популярности социальным сетям, блогам и другим основополагающим элементам современного Интернета, однако технологии их построения весьма развиты и разнообразны, к ним относятся: VRML, X3D, O3D, Unity3D, Torque Game Engine и др.
Критерием отбора технологии для данной системы стала возможность интеграции виртуальных миров в браузер, так как отсутствие интеграции неизбежно бы разрушило целостность системы. После тщательного анализа выбор был остановлен на бесплатной версии игрового движка Unity3D, создатели которого (компания Unity Technologies) описывают его как «самый мощный игровой движок». Уровень графических эффектов Unity3D превосходит и O3D, и X3D, но куда более ценным фактом является его простота, удобство и стабильность. Графический редактор позволяет быстро моделировать геометрию сцены, не прибегая к написанию кода. Для импорта любого ресурса (здесь они известны под названием assets) достаточно переместить соответствующий файл в папку с проектом. Большим достоинством Unity3D является внушительная коллекция готовых ресурсов — предметов обихода и моделей персонажей с готовым и гибко настраиваемым кодом, отвечающим за управление и движение камеры.
С помощью движка Unity3D систему можно разработать быстро и в полном объеме, избежав неочевидных трудностей, способных затормозить или остановить работу.
Программные средства разработки
В число программных средств, выбранных для разработки системы, входят следующие среды и технологии:
• среда разработки Microsoft Visual Studio 2010 и язык
программирования C# 4.0;
• технология разработки веб-приложений ASP.NET 4.0;
• фреймворка ASP.NET MVC Framework 3.0;
• технология доступа к данным Entity Framework 4.0;
• система управления базами данных Microsoft SQL Server 2008;
• программное обеспечение для сервера IIS 7.5;
• JavaScript-библиотека ExtJS 4.0;
• среда разработки Unity Editor 3.4;
• трехмерный графический редактор Blender 2.6.
Все они взаимно дополняют друг друга и в сумме предоставляют полный спектр возможностей, необходимый для реализации системы.
Ядро системы разработано с помощью фреймворка ASP.NET MVC Framework, который использует технологию ASP.NET от Microsoft, и позволяет создавать веб-приложения, предлагая пользователю структуру проекта, отвечающую принципам шаблона MVC (model-view-controller, модель-представление-поведение).
Internet Information Servises (IIS) - стандартное решение от Microsoft
для выполнения обмена информацией между сервером и клиентом, а также выполнения других функций клиент-серверных приложений. При развертывании системы в распределенной среде это программное обеспечение должно быть установлено на серверной части системы.
ExtJS - крупная библиотека на языке JavaScript, упрощающая разработку сложных и высоко интерактивных веб-интерфейсов, которая поддерживает технологию AJAX, анимацию, работу с объектной моделью веб-документа (DOM), реализацию таблиц, вкладок, обработку событий, а также ряд сложных графических компонентов (например, диаграмм или дерева каталогов).
Редактор Unity Editor - это единая среда разработки, поддерживающая полный процесс создания виртуального мира. Построение трехмерного пространства производится непосредственно внутри редактора, программирование логики - в интегрированной среде MonoDevelop на языках JavaScript или C#. Исключение составляет моделирование сложной геометрии: в Unity Editor возможно лишь создание графических примитивов (куб, цилиндр, сфера) и объединение их в группы; остальное необходимо импортировать из трехмерных редакторов. Для этих целей выбран открытый и бесплатный 3D-редактор Blender.
К несомненным достоинствам как Unity, так и Blender, следует отнести большое и активное сообщество разработчиков, благодаря которому можно быстро найти решение практически любых возникших при разработке проблем.
Технологии хранения и манипулирования данными
Одна из основных функций системы - это обработка и хранение данных, а также корректное их отображение при генерации виртуального мира. Для этого используется технология доступа к данным Entity Framework, которая позволяет автоматически генерировать базу данных и все таблицы на основании созданных разработчиком сущностных классов и заполнять их первоначальными данными, если таковые были им определены. Данная технология контролирует все изменения, выполненные в ходе разработки системы, на уровне кода и при необходимости изменяет структуру базы данных. Выбор Entity Framework определил и выбор СУБД: Microsoft SQL Server также входит в семейство технологий от Microsoft и лучше других гарантирует плавную и безошибочную работу вышеописанных функций.
Данные, необходимые для функционирования ВОС «3Ducation», хранятся в базе данных, логическая модель которой приведена на рис. 1. Кроме того, часть данных хранится на сервере в виде файлов.
Пользователь ИД пользователя
ФИО Логин Хеш пароля
ИД назначенной роли ИД роли
ИД роли (FK) ИД пользователя (FK) Название роли
т
Достижение пользователя
Курс
Статистика курса
ИД курса
Название курса
4 ИД статистики курса
ИД достижения пользоваля
ИД пользователя (FK) ИД достижения (FK) Значение
*
ИД достижения
Название Тип
Статистика лекции
ИД статистики лекции
Проведенное время ИД статистики темы (FK) ИД содержимого (FK)
т
Статистика параграфа
Порядковый номер Название темы ИД курса (FK)
Процент прохождения Проведенное время Флаг первого посещения Флаг полного завершения ИД пользователя (FK) ИД курса (FK)
| *
. Статистика темы
Содержимое темы
ИД содержимого
Порядковый номер Название содержимого Тип
ИД темы (FK)
ИД статистики темы
Процент прохождения Проведенное время Число пройденных тестов Флаг прохождения всех тестов Флаг идеального прохождения тестов Флаг полного завершения ИД статистики курса (FK) ИД темы (FK)
Статистика теста
Лекция
Тест
ИД содержимого (FK) [
ИД содержимого (FK)
Требуемы
ИД статистики теста
Результат
ИД статистики темы (FK) ИД содержимого (FK)
Вопрос
Параграф
ИД статистики параграфа
Прочитан или нет ИД статистики лекции (FK) ИД параграфа (FK)
ИД параграфа
Порядковый номер
Заголовок
Текст
ИД содержимого (FK)
п I
Иллюстрация
ИД вопроса
Порядковый номер Текст
Путь к картинке-пояснению Тип вариантов ответа Путь к картинке с ответами
ИД содержимого (FK)
I
*
Статистика вопроса ИД статистики вопроса
Затраченное время ИД статистики теста (FK) ИД вопроса (FK)
ИД иллюстрации
Порядковый номер Путь к изображению ИД параграфа (FK)
Вариант ответа
ИД варианта ответа
Порядковый номер Текст
Верный или нет ИД вопроса (FK)
ИД статистики теста (FK) ИД варианта ответа (FK)
J
Рис. 1. Логическая модель данных системы
Структура учебного контента
Основной частью контента системы является учебный курс -совокупность текстовых и иллюстрационных материалов, сгруппированных по тематическим признакам. Структура курса имеет древовидную форму и представлена на рис.2: корень дерева распадается на темы, состоящие из лекций и тестов; лекции разбиваются на параграфы, каждый из которых может обладать иллюстрациями; тесты включают ряд вопросов с различным количеством вариантов ответа, каждый из которых может быть верным или неверным. Варианты ответа могут быть представлены либо в текстовом формате, либо в виде изображения; кроме того, иллюстрацией может быть снабжен сам вопрос.
За разработку структуры учебного курса отвечает преподаватель, для этого в системе есть встроенный редактор курсов, предоставляющий интерфейс для редактирования, добавления или удаления любого элемента дерева. Кроме того, преподаватель имеет возможность загрузить учебный материал из файла MS Word, который должен иметь
Рис. 2. Структура учебного курса
Структура виртуального пространства
Трехмерное обучающее пространство состоит из двух частей: постоянной и динамической. Постоянная часть оформлена в виде холла, содержит вводную информацию об университете, факультетах, кафедре и разработчиках, а также включать терминал для выбора курса из списка всех доступных курсов. Динамическая часть представляет собой набор связанных комнат/коридоров и генерируется автоматически на основе структуры выбранного курса и комнат-шаблонов, внутрь которых загружается конкретное содержание. Пример схемы трехмерного пространства представлен на рис. 3.
Взаимодействие пользователя с объектами виртуального мира осуществляется через персонажа-аватара.
Система отслеживает прогресс обучаемого внутри трехмерного пространства и сохраняет его в базе данных, а также отображает статистику его действий, включая проведенное в мире время, число пройденных тестов и верных ответов на вопросы, а также процент завершения курса/темы.
Процесс обучения включает элементы игрового подхода, в том числе постоянное поощрение, основанное на системе очков опыта из ролевых видеоигр; очками награждаются любые действия пользователя, начиная от незначительных второстепенных (чтение вводной информации, исследование мира) и заканчивая непосредственно учебными (чтение лекций, прохождение тестов).
Рис.3. Пример схемы трехмерного обучающего пространства
Администратор ^ Преподаватель ^
Создание учетных записей пользователей Назначение прав
ддооссттууппаа
Создание учебных дисциплин Создание тестовых
ззааддаанниийй
Просмотр общей статистики
Формирование учебных курсов
данных при
ккооннссттррууииррооввааннииии ккууррссаа
Задание параметров вопросов и заданий Просмотр структуры
ккууррссаа
Задание
ппооссллееддооввааттееллььннооссттии
прохождения курса Просмотр общей
ссттааттииссттииккии ооббууччааеемыхх
Выставление оценок
Обучаемый
Регистрация в
ссииссттеемее
Выбор
учебного курса Прохождение учебного курса Выполнение учебных
ззааддаанниийй
Просмотр
ссооббссттввеенннноойй ссттааттииссттииккии
Гость
Пррооссмооттрр
демо-версий
ууччееббнныыхх ккууррссоовв
Рис. 4. Роли пользователей системы
Роли пользователей
В системе определены несколько ролей пользователей - гость,
обучаемый, преподаватель, администратор, которые обладают разными правами, и в зависимости от роли пользователю доступны определенные функциональные возможности системы на уровне интерфейса (рис. 4).
Архитектура системы
Почти все виртуальные обучающие среды базируются на технологии клиент-сервер, поэтому ВОС «3Ducation» не является исключением. Архитектура системы представлена на рис. 5.
Клиентская часть представляет собой просто веб-браузер, который используется для просмотра страниц на сервере (пользователю только необходимо установить на своем компьютере небольшой плагин Unity Web Player). 3D-сцены виртуального мира интегрируются в HTML-страницы, поэтому обучаемый может перемещаться по виртуальному пространству точно так же, как по обычным Интернет-сайтам.
Пользователь
Клиентская часть
Браузер -'■<—
Плагин Unity Web Player
Исполняемый файл виртуального мира
Скрипты ExtJS
HTML-страницы
Microsoft SQL Server
Рис. 5. Архитектура разработанной системы Серверная часть системы реализует архитектуру MVC, которая определяет три уровня:
• уровень представления веб-страниц портала;
• уровень бизнес-логики приложения и доступа к данным;
• уровень данных.
В качестве протокола обмена данными по сети используется протокол TCP/IP. Четыре контроллера из группы поведения обслуживают
четыре страницы сайта из группы представления. Главным компонентом модели (уровень данных) является контекст базы данных; в нем дается перечисление всех сущностных классов, включенных в модель, и через него работают с базой данных все контроллеры.
Заключение
В настоящее время виртуальная обучающая система «3Ducatюn» внедряется в учебный процесс школы информатики СГАУ
В числе перспектив дальнейшего развития системы следует упомянуть реализацию многопользовательского режима, который даст системе социализирующую составляющую, а также добавление экспертных элементов, с помощью которых система сможет адаптироваться под успехи или неудачи конкретного пользователя и выдавать ему актуальные рекомендации, тем самым делая процесс обучения более индивидуальным и интеллектуальным.
