Проект создания интернет-учебного пособия

1



Реферат



Дипломная работа – 94 страницы, 9 рисунков, 8 таблиц, 14 источников, 5 приложений.

КОМПЬЮТЕРНЫЙ УЧЕБНИК, дистанционноЕ образованиЕ, ИНФОРМАЦИОННАЯ БАЗА, ПРОГРАММНАЯ СРЕДА, УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС, ТЕХНОЛОГИЯ, теоретическИЙ модулЬ, справочный модуль, тестовый модуль, HTML, интернет.

В дипломной работе рассмотрены основополагающие принципы, методы и средства построения компьютерных учебников. Подробно рассмотрены существующие программные продукты, позволяющие создавать компьютерные учебники, удовлетворяющие основным требованиям.

Приведена технология создания компьютерных учебников, содержащих специальные математические тексты.

Разработано интернет-учебное пособие «Нелинейная теория устойчивости», предназначенное для самостоятельного изучения курса, для проведения компьютерных занятий в учебном процессе и для самоподготовки обучаемых перед зачетами и экзаменами.




Оглавление



		Перечень сокращений, символов и специальных символов	4

		Введение	6

1. Принципы создания и основные требования к компьютерным учебникам и обучающим программам	11

1.1 Базовые принципы создания систем дистанционного образования	12

1.2 Требования к учебным пособиям и обучающим программам	14

2. Обзор существующих программных сред для создания компьютерных учебников	17

2.1 Обзор зарубежных средств	18

2.2 Обзор российских средств	21

2.3 Анализ различных подходов и решений	25

3. Описание компьютерного учебника	26

3.1 Общие сведения о программной среде TBBuilder 2	26

3.2 Наполнение информационной базы компьютерного учебника	29

3.3 Инструкция по практическому использованию компьютерного учебника в учебном процессе	33

4. Технология создания компьютерного учебника	35

4.1 Перевод текста из формата TEX в формат HTML	35

4.2 Технология создания компьютерных учебников, содержащих специальные математические тексты	40

5. Расчет экономической эффективности внедрения компьютерного учебника в учебный процесс и определение затрат на разработку электронного учебника	45

5.1 План разработки программы	45

5.2 Определение затрат на разработку программы	50

5.2.1 Расчет капитальных вложений	52

5.2.2 Расчет годовых эксплуатационных расходов, связанных с использованием разработанной программы	52

5.3 Оценка экономической эффективности внедрения программы	53

6. Охрана труда и окружающей среды	54

6.1 Санитарно-гигиенические факторы	55

6.1.1 Микроклимат	55

6.1.2 Освещенность	56

6.1.3 Шум и вибрации	57

6.1.4 Излучения и поля	58

6.2 Эргономические факторы	59

6.2.1 Рабочий стол оператора	59

6.2.2 Рабочий стул оператора	60

6.2.3 Дисплей	61

6.2.4 Клавиатура	62

6.3 Психофизиологические факторы	62

6.3.1 Основные характеристики изображения на экране	62

6.4 Выводы	68

Заключение	70




Перечень сокращений, символов и специальных символов



ДО – дистанционное образование

КУ – компьютерный учебник

ИБ – информационная база

ТТ – терминальный текст

HTML - HyperText Markup Language

Дистанционное образование (ДО) – это комплекс образовательных услуг, предоставляемых с помощью специализированной информационно-образовательной среды, которая обеспечивает доступность образовательных услуг практически независимо от расстояния до учебного заведения.

Дистанционное обучение - форма получения образования, при которой в образовательном процессе используются лучшие традиционные и инновационные методы, средства и формы обучения, основанные на компьютерных и телекоммуникационных технологиях.

Компьютерный учебник (КУ) - это программно-методический комплекс, обеспечивающий возможность самостоятельно освоить учебный курс или его большой раздел. КУ соединяет в себе свойства обычного учебника, справочника и задачника. Основное назначение компьютерного учебника - формирование и закрепление новых знаний, умений и навыков в определенной предметной области и в определенном объеме в индивидуальном режиме.

Информационная база (ИБ) - база знаний и база данных компьютерного учебника.

Терминальный текст (ТТ) - текстовое сообщение, несущее в себе законченную информацию. В состав терминальных текстов могут, например, входить: постановка задачи, стратегия решения задачи, алгоритмы решения задачи, анализ решения задачи, теоремы, определения, пояснения, краткие примеры, комментарии и т.п. Терминальный текст может нести в себе как текстовую, так и графическую информацию.

HTML - язык гипертекстовой разметки. Язык разметки исходного текста веб-документа, включающий специальные символы (теги), которые позволяют веб-браузеру сконструировать из текста дизайн. HTML предоставляет возможности форматирования и обработки форм, управления шрифтами, отображения информации в табличном виде, гипертекстовые связи и поддержку Java-апплетов.

TEX - система верстки математических текстов.




Введение



Процесс обучения – очень важный процесс в современном обществе. Во многом от его построения зависит качество получаемых во время обучения знаний. Особенную актуальность в настоящее время приобрело дистанционное образование, основанное на применении интернет-технологий. Важность такого вида образования вытекает, прежде всего, из возможности проведения обучения на расстоянии.

Большой интерес к дистанционному обучению, который возрастает сегодня во всем мире, особенно с использованием интернет-технологий, имеет объективную основу. В связи с техническим прогрессом и появлением новых специальностей растет потребность людей в эффективном образовании, повышении квалификации, переподготовке и дополнительном профессиональном образовании. При этом растущий динамизм жизни вызывает потребность в мобильных учебных системах. Развитие сети Интернет открывает новые перспективы дистанционного образования, при которых учащемуся обеспечиваются возможности, свойственные очному обучению, а также целый ряд дополнительных, возникших в связи с развитием современных информационных технологий. Дистанционное образование становится единственной реальной возможностью учиться в индивидуальном режиме, независимо от места и времени. Появилась возможность получать образование непрерывно и по индивидуальной программе в соответствии с принципами открытого образования. Дистанционное образование призвано реализовать права человека на непрерывное образование и получение информации.

Система дистанционного образования не является антагонистичной в отношении к существующим очным и заочным системам обучения, она естественным образом должна интегрироваться с этими системами, дополняя и развивая их, способствуя созданию мобильной образовательной среды. Задача дистанционного обучения – учить, не имея прямого постоянного контакта с обучаемым.

Цели дистанционного образования:

создание образовательного пространства посредством внедрения в учебный процесс современных технологий;

самостоятельная поисковая деятельность студентов в образовательном пространстве, контролируемая и направляемая вузом;

переход от репродуктивного метода обучения к творческому (креативному) освоению знаний студентами.

Дистанционное образование сориентировано на внедрение в учебный процесс новых технологий, которые со временем перестроят всю организацию обучения. Применение этих технологий принципиально меняет способ получения и усвоения знаний, а также взаимодействие между студентом и преподавателем. Источником информации в данных моделях являются базы данных (образовательное пространство), координатором учебного процесса — преподаватель, а интерпретатором знаний - сам студент. Его деятельность меняется: от получения знаний — к творческому поиску таковых.

Многие ВУЗы занимаются проблемой дистанционного образования, в том числе и Московский Авиационный Институт, где особенных успехов добилась кафедра “Математическая кибернетика”, специализирующаяся на создании компьютерных учебников по различным дисциплинам и имеющая многолетний опыт разработки и использования компьютерных систем обучения.

Для поддержки обучения дисциплинам, входящим в учебный план студентов МАИ, на кафедре "Математическая кибернетика" был создан комплекс компьютерных учебных пособий и учебников, которые находятся в компьютерной библиотеке кафедры. Эти учебники предназначены для самостоятельного изучения дисциплин, для проведения компьютерных занятий в учебном процессе и для самоподготовки перед зачетами и экзаменами. Комплекс, включающий в себя более 70 компьютерных учебников, поддерживает 8 разделов курса "Теория управления", 7 разделов курса "Системный анализ", 3 раздела курса "Линейная алгебра и аналитическая геометрия", а также курсы "Теория графов", "Теория функций комплексного переменного", "Линейное программирование", "Линейные дифференциальные уравнения" и другие.

В 2005 году на кафедре "Математическая кибернетика" для разработки и наполнения информационной базы компьютерного учебника была создана программная среда TBBuilder 2, позволяющая наполнять информационную базу компьютерного учебника на естественном языке пользователя. При этом в программе учитывается специфика информации, присущей математическим дисциплинам, и присутствуют редакторы, позволяющие работать с формулами и графиками функций. Наполнение информационной базы структурировано таким образом, чтобы обеспечить самостоятельную работу студента по получению информации, выработки ее понимания и умения по ее практическому использованию.

В учебном плане специализации кафедры 805 МАИ "Информационные технологии в управлении и обучении" предполагается изучение спецкурса “Нелинейный динамический анализ систем”, разработанного академиком

В.М. Матросовым, который до настоящего времени не имел соответствующего компьютерного учебника. Это вызвало практический интерес и, вследствие этого, возникла задача создания учебного интернет-пособия "Нелинейная теория устойчивости", при создании которого использовалась методология и принципы организации компьютерного обучения, разработанные на кафедре "Математическая кибернетика" и уже многие годы используемые на практике.

Вследствие вышесказанного, были поставлены следующие задачи:

Освоить принципы, методы и средства построения компьютерных учебников и подготовить материал по «Нелинейной теории устойчивости».

Разработать технологию создания компьютерных учебников, содержащих специальные математические тексты.

Разработать структуру теоретического модуля: перевести текст компьютерного учебника (в формате TEX) в формат HTML, структурировать его и разработать средства навигации по страницам учебника.

Выбрать программную среду создания компьютерных учебников и реализовать интернет-учебное пособие с учетом разработанной технологии.

Электронный учебник должен содержать:

оглавление

алфавитный указатель

средства навигации по учебнику

средства контроля знаний обучаемого

В качестве программной среды для создания интернет-учебного пособия «Нелинейная теория устойчивости» был выбран TBBuilder 2, разработанный на кафедре "Математическая кибернетика" МАИ.

В дипломной работе описываются процессы разработки технологии и реализации компьютерного учебника «Нелинейная теория устойчивости», а также предложен алгоритм его использования. Рассчитана экономическая эффективность и суммарные затраты на разработку.

В разделе 1 дается описание основополагающих принципов создания и требований к компьютерным обучающим программам, т.к. во многом от их выполнения зависит достижение высокой эффективности обучения. Особое внимание в этом разделе уделяется требованиям к компьютерным учебникам.

В разделе 2 приводится обзор существующих программных продуктов, позволяющих создавать компьютерные учебники, удовлетворяющие изложенным требованиям.

Раздел 3 посвящен описанию компьютерного учебника «Нелинейная теория устойчивости». Приведена инструкция по практическому использованию компьютерного учебника в учебном процессе.

В разделе 4 описан процесс создания компьютерного учебника «Нелинейная теория устойчивости». Проанализированы трудности при переводе предложенного текста (в формате TEX) в формат HTML и предложены пути их решения. Приведена технология создания компьютерных учебников, содержащих специальные математические тексты.

Раздел 5 дипломного проекта посвящен решению следующих задач:

разработке плана создания компьютерного учебника;

определению затрат на разработку электронного учебника и его цены;

оценке экономической эффективности внедрения компьютерного учебника в учебный процесс.

В разделе 6 (охраны труда и безопасности жизнедеятельности) описано влияние санитарно-гигиенических, эргономических и психофизиологических факторов на оператора ПЭВМ. В данном разделе, основываясь на государственные стандарты и санитарные нормы, рассмотрены наиболее оптимальные параметры рабочей среды для реального рабочего места.




1. Принципы создания и основные требования к компьютерным учебникам и обучающим программам



Образование без отрыва от основной деятельности появилось более 130 лет назад. С тех пор данная форма образования не перестает будоражить сознание специалистов. С одной стороны, она получила огромное распространение в разных регионах мира, а с другой — постоянно критикуется.

За последние 30 лет в системах образования произошли существенные структурные изменения, обусловленные развитием научно-технического прогресса и его возрастающим воздействием на все стороны жизни общества.

Существует несколько подходов к определению дистанционного образования. В Концепции создания и развития единой системы дистанционного образования в России, принятой Государственным комитетом РФ по высшему образованию 31 мая 1995 г., дано следующее определение: «Под дистанционным образованием понимается комплекс образовательных услуг, предоставляемых широким слоям населения в стране и за рубежом с помощью специализированной информационно-образовательной среды на любом расстоянии от образовательного учреждения. Информационно-образовательная среда дистанционного образования представляет собой системно организованную совокупность средств передачи данных, информационных ресурсов, протоколов взаимодействия, аппаратно-программного и организационно-методического обеспечения, ориентированную на удовлетворение образовательных потребностей пользователей».

Цели дистанционного образования можно сформулировать следующим образом:

создание образовательного пространства посредством внедрения в

учебный процесс современных технологий;

самостоятельная поисковая деятельность студентов в образовательном пространстве, контролируемая и направляемая вузом;

переход от репродуктивного метода обучения к творческому (креативному) освоению знаний студентами.



1.1 Базовые принципы создания систем дистанционного образования



Можно сформулировать базовые принципы, на основе которых создаются системы дистанционного образования, являющиеся сегодня мерилом удачных или неудачных решений.

Во-первых, доступность обучения. При хроническом недостатке времени учиться надо все больше и больше. Причем процесс обучения должен начинаться когда угодно – когда есть время; длиться сколько угодно – сколько есть времени и сил; он может быть внезапно прекращен или прерван, например срочный телефонный звонок, и может быть продолжен с любого места. А сверху еще накладываются субъективные особенности обучаемых: начальные знания, специфика освоения материала и т.д. и т.п. Радикальный прорыв в этой области позволил осуществить известные результаты научно-технического прогресса: персональный компьютер и Интернет, а в ближайшей перспективе – мобильный Интернет и беспроводные локальные пикосети.

Во-вторых, радикально новые формы представления и организации информации, обеспечивающие максимальную степень ее восприятия. Среди них можно выделить:

Максимальное использование различных способов представления информации: текста, графики, видео, звукового сопровождения, анимации, т.е. то, что получило название "мультимедиа";

Нелинейную форму организации материала, при которой его единицы представлены не в линейной последовательности, а как система явно указанных возможных переходов, связей между ними, дающая возможность адекватного представления всей взаимосвязи ее различных аспектов. Такой подход позволяет в максимальной степени приблизить процесс передачи знаний к естественному общению и обеспечить адаптивность траектории обучения;

Присутствие большого количества справочной информации, причем именно в дополнительной, сопровождающей форме, когда пользователь видит основной предмет изучения в окружении каких-либо других узлов, т.е. любой вопрос (тема, проблема, аспект, идея, документ) всегда оказывается связанным с другими вопросами. Пользователь может не учитывать эту информацию, но она ему предоставляется, причем именно как смежная, находящаяся в определенных связях с вопросом, непосредственно интересующим пользователя. В целом такая система заставляет учитывать, что интересующая его тема может иметь еще какие-то аспекты.

В настоящее время в мировой практике наиболее перспективным способом организации разнородной информации признана гипермедийная технология. Главными ее достоинствами являются, с одной стороны, ориентация на создание информационной среды, с другой – возможность адекватного представления всей взаимосвязи различных аспектов. Характерным примером ее использования является популярная World Wide Web – гигантская гипермедиа-паутина, которую можно (в контексте задач обучения) рассматривать как интеллектуальную надстройку над информационным банком глобальной сети Интернет.

В-третьих, достоверность сертификации знаний. Оценка знаний предельно усложняется. Если раньше это вверялось в руки преподавателей, которые в ходе личной встречи (для некоторых студентов в ходе последовательности таких встреч) добивались того, чтобы студент привел багаж своих знаний в соответствие с выставляемой оценкой, то в системах дистанционного образования при сертификации знаний очного контакта, как правило, нет. Соответственно и методики сертификации знаний существенно отличаются от используемых при очном обучении. Наиболее распространенными здесь являются методики, основанные на тестировании, которые используются в практике очного образования скорее как дополнительные. Здесь они – основные. И сразу же встает другая проблема – при отсутствии очного контакта нет гарантий того, что экзамены не сдал кто-то другой. Именно поэтому на некоторых сертификатах, выдаваемых профессиональными организациями, есть подпись главного психометриста.

Стоит сказать, что дистанционное образование в большинстве случаев видится не в отрицании действующих форм образования, а в их совершенствовании, во внедрении в учебный процесс новых технологий, которые со временем перестроят всю организацию обучения. Таким образом, в отдельных случаях, как на кафедре "Математическая кибернетика" МАИ, описанная выше проблема достоверности сертификации знаний отпадает (т.к. интернет-учебное пособие «Нелинейная теория устойчивости» будет использоваться при очном обучении).



1.2 Требования к учебным пособиям и обучающим программам



С использованием гипертекстовых документов и активным использованием информационных технологий в дистанционном обучении, разработка компьютерного учебника становится более сложной задачей. Так как желательно предусмотреть возможность работы по локальной сети с учебником, возможность размещения его в сети Интернет, защитить системно обучающие функции, чтобы случайные ошибки пользователя не меняли содержание учебника. Словом, следует ужесточить требования к психолого-педагогическим аспектам, обратив особое внимание на коммуникативный режим.

Одним из достоинств электронных средств обучения и, в частности, компьютерных учебников, относят индивидуальный темп обучения. Под этим должна подразумеваться не только "индивидуализация" по времени, так как обучение при классно-урочной системе подчинено жестким временным рамкам, но и вариативность развернутости учебного материала, учет типа памяти, темперамента и мышления учащегося. Можно говорить не только о психолого-педагогических требованиях, а и о психофизиологических.

Таким образом, вытекает необходимость встраивания в компьютерные учебники небольшого набора тестов, позволяющих оценивать основные психофизиологические особенности конкретного обучающегося. После такой оценки должен быть выбран тот вариант предъявления учебного материала, который наилучшим образом отвечает индивидуальным психофизиологическим особенностям обучаемого. Существующие возможности методики и техники позволяют это сделать.

Но это уже высший пилотаж.

Рассмотрим основные требования к компьютерному учебнику.

Компьютерный учебник (КУ) - это программно-методический комплекс, обеспечивающий возможность самостоятельно освоить учебный курс или его большой раздел.

КУ должен обладать следующими свойствами:

обеспечивать оптимальную для пользователя последовательность и объём различных форм работы c курсом;

обеспечивать возможность самоконтроля качества приобретенных знаний и навыков;

прививать навыки исследовательской деятельности;

экономить время учащегося, необходимое для изучения курса.

Интернет-учебное пособие должно содержать в необходимом объеме информацию, обеспечивающую возможность изучения данной дисциплины; изложение материала дисциплины должно осуществляться в едином стиле на протяжении всего пособия, а весь приведенный в пособии материал должен быть снабжен разъяснениями, графическими иллюстрациями и поясняющими примерами.

Общие требования к компьютерному учебнику:

КУ должен позволять изучить курс, пользуясь преимущественно учебным материалом, изложенным в нём (только компьютерной или Web-реализацией КУ);

КУ должен предоставлять оптимальное сочетание различных способов изучения курса;

все инструкции по использованию программного обеспечения (если они нужны) должны быть приведены в тексте учебника в соответствующих местах;

каждый элемент программного обеспечения КУ должен удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к программам соответствующего типа;

в КУ должны быть использованы в максимальной степени (на уровне разумной достаточности) современные достижения информационных технологий.

Компьютерные учебники предназначены для самостоятельного изучения курсов, для проведения компьютерных занятий в учебном процессе и для самоподготовки перед зачетами и экзаменами.

Выполнение требований к учебным пособиям и обучающим программам во многом обеспечивает достижение высокой эффективности обучения.




2. Обзор существующих программных сред для создания компьютерных учебников



Идея обучения с помощью компьютера появилась давно. Первые попытки относятся к концу 50-х годов. В то время уже имелась возможность "общения" человека с компьютером посредством используемого в качестве устройства ввода/вывода телеграфного аппарата-телетайпа. Надлежащим образом запрограммированный компьютер заносит в свою память набираемый человеком на клавиатуре телетайпа текст запроса, а по окончании ввода этого текста производит некоторый анализ его и печатает на телетайпе заранее заготовленный, или конструируемый из подходящих элементов текст ответа. Или проще - компьютер выдает на телетайп текст вопроса или условия задачи и ждет ввода с клавиатуры ответа, который затем сверяется с имеющимся эталоном, чтобы выдать оценку: верно/неверно. С тех пор во всем мире ведутся непрерывные научные поиски решения проблемы эффективного и дешевого способа обучения с помощью компьютера.

Современные методы компьютерного обучения подразумевают активное взаимодействие обучаемого - пользователя с обучающей программой. При этом используется весь спектр возможностей современного персонального компьютера или рабочей станции - текст, изображение, звук, видео, объединяемых в понятие "мультимедиа".

Значительный прогресс в этой области был достигнут в связи с разработкой широкомасштабного проекта World Wide Web (WWW,W3), объединяющего средства "мультимедиа" и современные компьютерные сети. В последнее время эта система стала стандартом "де-факто" для многих информационных приложений, в том числе и обучающих программ. Привлекает также простота технологии разработки продуктов в этой системе - практически нет необходимости в написании программ на алгоритмических языках (используются соответствующие стандартные программы системы WWW), и процесс создания сводится к проектированию и заполнению соответствующих баз данных и знаний. Поэтому, после проведения предварительного анализа компьютерных мультимедийных средств, было решено использовать систему WWW как базисную для разработки компьютерного учебника и других программных средств.

В настоящий момент на мировом рынке имеется большой выбор программных продуктов, позволяющих обеспечивать весь цикл разработки учебных материалов и управления процессом дистанционного обучения.



2.1 Обзор зарубежных средств



Многие крупные фирмы, такие, например, как IBM и Oracle, предлагают, как правило, программное обеспечение в пакете комплексных услуг. Основной акцент делается на использование определенных технических средств и СУБД (Систем Управления Базами Данных), выпускаемых производителями с некоторыми надстройками, обеспечивающими технические возможности построения на их базе процесса дистанционного обучения. Стоимость такого программного обеспечения и его операционные характеристики определяются конкретным заказом.

Фирма Allen представляет систему проектирования и поддержки курсов Quest. Фирма имеет многолетний опыт проектирования систем СВТ (СверхВысоких Технологий) для локальных сетей и лишь в конце 1997 года решилась представить проект для Интернета. Quest – модульная система. Стартовый модуль стоит $995; дополнение до полного Quest – еще столько же. Имеется много других вспомогательных модулей.

В университете штата Айдахо создана система дистанционного обучения через Интернет WebCourse in a Box. Заявляется, что система поддерживает весь жизненный технологический цикл курса дистанционного обучения. WebCourse in a Box существует в двух вариантах – для UNIX (на языке Perl 5.002) и для Windows NT (только для Web-сервера Microsoft IIS). Предпоследняя версия – бесплатная; последняя предоставляется формально бесплатно, но лишь после заключения договора о поддержке (минимальная стоимость $3000). Небольшие эксперименты с бесплатным вариантом WebCourse in a Box показали, что это трудно адаптируемый продукт, находящийся еще на стадии опытной эксплуатации.

В университете штата Нью-Йорк по одному из проектов, финансируемых Министерством обороны, создана инструментальная система поддержки совместной деятельности Tango, на базе которой разработана система дистанционного обучения. Система Tango написана на языке Java, использует специальные протоколы с памятью и имеет надежную подсистему идентификации пользователя.

Virtual-U – система, поддерживающая весь жизненный технологический цикл курса дистанционного обучения, создана небольшой группой сотрудников канадского университета Саймона Фрезера, написана полностью на языке Perl, эксплуатируется многими организациями по всему миру (больше всего, конечно, в Канаде). Некоторые организации даже предлагают любому преподавателю из любого конца Земного шара подготовить и провести курс дистанционного обучения любой дисциплине. Ценовая политика представляет интерес – можно бесплатно попробовать проектирование курса и управление курсом через Интернет, можно получить, установить (требуется операционная система Sun Solaris 2.5) и 5 месяцев эксплуатировать Virtual-U бесплатно для неограниченного числа слушателей. Предполагается, что этого времени должно хватить на разработку и апробацию курса. За дальнейшее использование Virtual-U придется платить. Стоимость зависит от числа обучающихся и, при большом их числе, доходит до $10000.

Консорциум Hyper-G – общественная организация, созданная для применения систем, разработанных на базе серверов протокола Hyper-G для целей дистанционного обучения. Протокол Hyper-G был спроектирован немецкой фирмой HyperWave, судя по публикациям, совместно с университетом г. Грац, Австрия. Сервер HyperWave наиболее полноценно работает со специализированным клиентом протокола Hyper-G. Этот сервер, однако, имеет и встроенный Web-сервер и CGI-шлюз, позволяющий стыковать его с произвольным Web-сервером. Сервер HyperWave работает на многих UNIX-платформах и под Windows NT. Сервер HyperWave – универсальное средство доступа к так называемой “каталогизированной” (т.е. снабженной атрибутами) информации и не предназначен специально для создания систем дистанционного обучения (например, сервер HyperWave используется как технологический в библиотеке г. Грац).

Говоря об инструментальных средствах создания систем дистанционного обучения, распространяемых в России, нельзя обойти вниманием разработку фирмы Lotus Development, активно продвигающей свою систему LearningSpace. К сожалению, демонстрационной версии среды разработки от Lotus нет, как нет и книг, посвященных работе в этой среде. Концептуально процесс подготовки учебного курса в Lotus LearningSpace состоит в формировании документа в развитом редакторе и последующей публикации его, осуществляемой простым перетаскиванием в папку опубликованных документов. Судя по обширной информации рекламного и описательного характера, представленной на сайте фирмы www.lotus.ru, эта развитая среда обладает всеми возможностями для создания полнофункциональных мультимедийных учебных курсов, систем тестирования, администрирования учебным процессом, организации взаимодействия филиалов учебных центров и пр. Особо следует отметить, что системы дистанционного обучения от Lotus изначально ориентированы на функционирование в режиме филиальной структуры и позволяют синхронизировать всю информацию, расположенную на серверах системы, за счет развитой системы репликаций. Надежная система защиты информации, свойственная разработкам Lotus для бизнеса и управления, характерна также и для систем дистанционного образования, построенных с использованием Lotus LearningSpace. Вместе с тем, нельзя не отметить, что системы дистанционного обучения, построенные на ее основе, предполагают обязательную установку базового программного обеспечения – сервера Lotus Domino, без которого невозможна эксплуатация этой информационной среды. Более того, весьма желательно использование и среды разработки приложений Lotus Notes, предоставляющей мощные средства разработчикам с самым различным опытом. Пользователи, обладающие опытом программирования, могут создавать сложные приложения с использованием встроенным в Notes средств программирования. Средства разработки приложений интегрированы в Domino Designer, продукте, который является надежной, интуитивно понятной средой, обеспечивающей возможности использования стандартных средств и языков разработки Web-приложений и доступ к другим корпоративным системам. Перечисленные достоинства комплексного использования продуктов от Lotus имеют очевидную “обратную” сторону – эти продукты нужно иметь, научиться их использовать, обеспечить их профессиональную эксплуатацию, а это требует значительных финансовых и организационных ресурсов. Кроме того, эксперименты и анализ существующих применений LearningSpace показали также определенные проблемы с локализацией, в частности, с поддержкой русского языка. Структура лицензирования LearningSpace следующая: отдельно лицензируется сервер LearningSpace (ориентировочная стоимость около $7000) и обучающиеся (стоимость для каждого пользователя около $40).



2.2 Обзор российских средств



Появляются и отечественные системы, обеспечивающие поддержку всей технологической цепочки создания и сопровождения дистанционных курсов.

В Московском областном центре новых информационных технологий при Московском государственном институте электронной техники разрабатывается система ОРОКС (старое название Web-Tester).

Данная система интересна, прежде всего, тем обстоятельством, что разрабатывается и эксплуатируется высшим учебным заведением и, как следствие, учитывает основные особенности реального учебного процесса в нашей стране. Программный комплекс ОРОКС является многофункциональной сетевой оболочкой для создания учебно-методических модулей и организации обучения с удаленным доступом. Она реализована с помощью WWW CGI-технологии.

С помощью ОРОКСа можно создавать электронные учебно-методические пособия, обучающе-контролирующие системы; системы тестирования и контроля.

Система ОРОКС реализована в виде набора скриптов на языке Perl, имеющих интерфейс с SQL-базой данных. Возможные платформы для работы серверной части системы – практически любой Web-сервер, как UNIX, так и Win32. В версии 2.2 разработчики обеспечили интеграцию с популярным Web-сервером Apache. Рекомендуемые требования к пользовательской части системы вполне приемлемы для отечественного потребителя: минимальные требования – персональный компьютер класса Pentium с оперативной памятью от 16 Мбайт, операционной системой Windows 95/98/NT, браузер Internet Explorer 4.0 либо Netscape Navigator 4.xx. Подразумевается подключение к Интернету или локальной сети.

Учебный модуль в системе ОРОКС формируется из блоков разных типов:

информационные блоки, не требующие ответа: ознакомительные, поясняющие и т.п.;

контролирующие блоки с вводом ответа.

Блоки могут объединяться в линейную или древовидную структуры. Информационные блоки представляют собой гипертексты. Система разработки учебного модуля позволяет в текст любого блока модуля вставлять картинки, файлы, видео и другие активные элементы.

Одним из интересных решений, позволяющих создавать мультимедийные дистанционные курсы, которые могут распространяться также и на компакт-дисках, является система Прометей. Система дистанционного обучения Прометей – программная оболочка, обеспечивающая возможности дистанционного обучения и тестирования слушателей, а также имеющая необходимые средства для управления деятельностью виртуального учебного заведения. Система Прометей имеет модульную архитектуру, поэтому легко расширяется, модернизируется и масштабируется.

В 1999-2000 гг. в рамках проекта “Информационные технологии дистанционного обучения” Санкт-Петербургского отделения института “Открытое общество” (Фонд Сороса) было разработано инструментальное средство для создания мультимедийных учебных курсов, приспособленных для использования в системах дистанционного обучения российского сегмента сети Интернет, - Distance Learning Studio. В основе подхода к дистанционному обучению лежат две взаимодополняющие друг друга части - “Конструктор мультимедийных дистанционных курсов” и “Учебный центр”, выполненные по технологии Web-CD.

“Конструктор мультимедийных дистанционных курсов” – программа для создания преподавателем-непрофессионалом в области компьютерных технологий собственных учебных курсов со всем богатством мультимедиа, размещаемых на CD-ROM. Структура каждого из курсов включает следующие основные разделы:

лекции, представленные в мультимедийной форме;

тесты, предназначенные для самооценки знаний;

словарь, представляющий собой иллюстрированное толкование ключевых терминов учебного материала;

поиск – встроенная система полнотекстового поиска по материалам курса;

связь с Учебным центром, на котором размещаются обновления и дополнения к курсу.

Учебный центр – сервер, выполняющий такие функции, как сопровождение учебных курсов, поддержка регистрации учащихся, расписания обучения, удаленного тестирования обучаемых, электронной зачетки и ведомости успеваемости, обновлений основного мультимедийного учебного материала, проведение дистанционных семинаров и занятий, включая интернет-трансляцию. Предполагается, что Учебные центры могут обмениваться информацией, используя XML-формат документов. В этих форматах, в частности, представлены учебные программы курсов и наборы тестов.

К настоящему моменту функционирует единственный сервер, который является Учебным центром для пилотных учебных курсов, разработанных на этапе пробной эксплуатации Конструктора.

На кафедре «Математическая кибернетика» Московского Авиационного Института уже много лет ведется разработка компьютерных учебников. Так, на кафедре "Математической кибернетики" была разработана универсальная инвариантная к дисциплине оболочка “Ракель”, предназначенная для построения электронных учебников. С использованием “Ракель” был разработан целый цикл электронных учебников, сформировавший электронную библиотеку кафедры, которая содержит более 70 учебников по таким дисциплинам как: “Теория управления”, “Теория оптимизации”, “Дискретная математика”, “Системный анализ”, “Дифференциальные уравнения”, “Линейная алгебра и аналитическая геометрия”.

В прошлом году инструментарий кафедры пополнился ещё одним универсальным средством создания компьютерных учебников – программным продуктом TBBuilder 2. Данная среда позволяет создавать электронные пособия и обучающие курсы по прикладным математическим дисциплинам, содержащие сведения по теории дисциплины, демонстрационные примеры решения типовых задач, модуль решения типовых задач с пошаговым контролем правильности решения, и модуль контроля знаний.



2.3 Анализ различных подходов и решений



На основании технологий для поддержки дистанционного обучения и кратких обзоров зарубежных и отечественных средств создания дистанционных курсов на базе интернет-технологий можно сделать следующие выводы:

Зарубежные средства создания дистанционных курсов – дорогостоящие или подразумевают дорогостоящую техническую поддержку фирмы-производителя системы.

Большинство систем не обеспечивают поддержку всей технологической цепочки создания и сопровождения (так называемого жизненного цикла) дистанционного обучения.

Многие системы ориентированы на использование только интернет-технологии для реализации всех компонентов дистанционного курса.

Многие системы подразумевают, что службы “Учебного центра” могут быть размещены только на серверах фирм-производителей систем, что делает разрабатываемые дистанционные курсы зависимыми от состояния этих фирм и их политики.

В России в настоящее время не существует совершенных систем, обеспечивающих доступ к полнотекстовым информационно-справочным материалам учебного назначения, а соответственно, и возможности обучения через Интернет.


3. Описание компьютерного учебника



В качестве программной среды для создания интернет-учебного пособия «Нелинейная теория устойчивости» был выбран TBBuilder 2, разработанный на кафедре "Математическая кибернетика" МАИ.



3.1 Общие сведения о программной среде TBBuilder 2



Данная программа представляет собой средство преподавателя, позволяющее производить наполнение информационной базы КУ. Программа имеет модульную структуру. Модули вызываются из основного окна программы и представляются на экране в виде отдельных окон. Каждый модуль предназначен для решения конкретной задачи, входящей в один из следующих классов задач:

1. формирование оглавления КУ,

2. внесение в информационную базу КУ текстовой и графической информации,

3. внесение в информационную базу КУ задач с альтернативными ответами,

4. внесение в информационную базу КУ задач с конструируемым ответом из фрагментов формул,

5. внесение в информационную базу КУ задач с конструируемым ответом при помощи текстовой палитры,

6. внесение в информационную базу КУ информации по организации учебного процесса,

7. построение графических изображений,

8. каталогизация графических изображений,

9. предоставление пользователю справочной информации.

Работа с большинством модулей происходит в диалоговом режиме, предусматривающем наличие:

указаний пользователю,

необходимых инструментов,

доступа к справочной информации.

Модульность программы поддерживается стандартным MDI-интерфейсом Windows API, что позволяет обойтись без использования сложных OLE-интерфейсов связи между исполняемыми модулями.

Инструменты, предоставляемые программой, являются визуальными компонентами, предназначенными в первую очередь для того, чтобы процесс внесения материалов в информационную базу КУ происходил на естественном языке пользователя. При этом учитываются особенности учебных материалов по прикладным математическим дисциплинам.

Инструменты позволяют:

производить ввод и верстку текстовой информации,

вставку в текст изображений,

построение графиков функций одного переменного,

построение изображений, представляющих собой математические формулы.

Для того, чтобы инструменты были выдержаны в стандартном стиле таких редакторов, работающих в среде Windows, как MS Word, а также имели поддержку со стороны операционной системы, при их создании использовались OLE-интерфейсы системных средств MSDHTML и MSIE. Исходя из перечня предоставляемых в распоряжение разработчика ресурсов этих средств были созданы классы, позволяющие отображать на экране и редактировать документы HTML на естественном языке пользователя.

Программа была разработана с использованием языка программирования Object Pascal и среды программирования Delphi 5.

В следующей таблице приведены сравнительные характеристики некоторых средств разработки дистанционных курсов.




Таблица 1

Сравнительные характеристики некоторых средств разработки дистанционных курсов



STELLUS

SunRav

Прометей

Доцент

TeachLab

Наполнение теоретическим материалом

+

+

+

+

+

Возможность вставки изображений в текст

+

+

+

+

+

Работа с теоретическим материалом на естественном языке

-

+

+

+

+

Структурирование теоретического материала 

+

+

+

+

+

Взаимосвязанность теоретического и практического материала

+

-

-

-

- 

Наполнение практическим материалом

+

+

-

+

+

Структурирование практического материала

-

-

-

-

-

Возможность вставки изображений в практический материал

В качестве иллюстраций

+

-

+

В качестве иллюстраций

Возможность работы с формулами

-

-

-

+

-

Работа с практическим материалом на естественном языке

+

+

-

-

-

Возможность внесения задач с альтернативными ответами

+

+

-

+

+

Возможность внесения задач с конструируемым ответом

-

-

-

С помощью программи-рования

С помощью программи-рования

Наличие примеров с пошаговым решением

-

-

-

-

-

Возможность предпросмотра результата во время работы

-

-

-

-

-

Контроль полноты базы данных

-

+

+

-

-

Наличие графика работ обучаемого

-

-

+

+

-

Наличие указаний пользователю

Во внешнем файле

Во внешнем файле

Во внешнем файле

Во внешнем файле

Во внешнем файле

Работа в режиме диалога 

-

-

-

-

-



Из таблицы видно, что в большинстве случаев задача внесения в информационную базу компьютерного учебника практического материала предполагает наличия у пользователя глубоких знаний в работе с компьютером, а иногда даже умения программировать.

Программная среда «TBBuilder 2» позволяет устранить большую часть этих недостатков.



3.2 Наполнение информационной базы компьютерного учебника



Предлагаемая программа «TBBuilder 2» позволяет пользователю, имеющему элементарные навыки в работе с текстовыми и графическими редакторами осуществить наполнение базы знаний и базы данных КУ, который позволяет:

Предоставить студенту сведения по теории дисциплины,

Продемонстрировать решение типовых задач,

Научить в процессе самостоятельной работы решать типовые задачи с пошаговым контролем правильности решения,

Осуществлять рубежный контроль знаний,

Осуществлять ликвидацию пробелов в знаниях,

Осуществить итоговое тестирование знаний.

Оглавление компьютерного учебника должно копировать оглавление учебного пособия по главам и параграфам. Учебник и каждая его глава предваряется введением, которое содержит методические указания по самостоятельной работе в соответствии с особенностями содержания каждой главы. Структура наполнения каждого параграфа является идентичной и включает:

- теорию,

- демонстрационные примеры,

- примеры для обучения с пошаговым контролем,

- примеры для самостоятельного решения с итоговым контролем результата,

- вопросы для рубежного контроля.

Каждая глава заканчивается вопросами для финального контроля знаний.

Если разработчик КУ предусматривает наличие в КУ РГР, контрольных работ, лабораторного практикума, он должен внести эти позиции в оглавление. Оглавление должно включать в себя также предметный указатель и список рекомендованной литературы.

Узел «Оглавление» является в дереве основным. Все создаваемые узлы будут помещаться в дерево в качестве потомков данного. Этими узлами могут быть узлы, представляющие главы, параграфы КУ, а также элементы типовой структуры: теоретические материалы, демонстрационные примеры, примеры для самостоятельного решения и вопросы рубежного и итогового контролей.

Если по каким-либо причинам автор КУ не хочет придерживаться предложенной структуры параграфа или считает необходимым удалить из него какие-либо позиции, то при наполнении соответствующей структуры «TBBuilder 2», он не производит заполнение этих позиций, что автоматически удаляет их из оглавления.

Подготовка наполнения теоретико-справочного модуля КУ ведется по параграфам. Наполнение каждого параграфа составляет совокупность терминальных текстов (представляющие собой текстовые сообщения, несущие в себе законченную информацию), которые отражают содержание параграфа. К терминальным текстам следует отнести сжатое описание постановок задач, стратегии поиска их решения, алгоритмы решения задач, анализ решения задач, определения понятий, теоремы, и д.р. Каждый терминальный текст может быть снабжен по усмотрению пользователя краткими пояснениями и иллюстрациями. Терминальные тексты могут представлять собой фрагменты информации из учебного пособия или могут быть написаны преподавателем. Однако в этом случае преподаватель должен соблюдать единство терминологии и обозначений с учебным пособием. Если основой для терминального текста является учебное пособие, и преподаватель располагает его оригинал-макетом, то для наполнения информационной базы терминальные тексты должны быть выделены в тексте оригинал-макета, а затем перенесены в информационную базу теоретико-справочного модуля. При этом преподаватель вправе дополнить содержание текста пояснениями и примерами.

Объем терминального текста согласно эргономическим рекомендациям не должен превышать объема двух экранов.

Рубежный контроль проводится после каждой главы учебника. На этапе рубежного контроля проверяется знание и понимание темы и умение решать типовые задачи.

При подготовке контрольных вопросов преподаватель должен обеспечить валидность контроля. Форма ответов: выбор одного или нескольких верных ответов, конструируемый ответ, дополнение текста недостающими словами. При подготовке каждого контрольного вопроса преподаватель должен указать:

1. Формулировку вопроса или задания, которое обучаемый должен выполнить;

2. Форму ответа: выбор из альтернативных ответов, конструирование ответа с помощью текстовой палитры;

3. Если преподаватель находит нужным, он может предварить постановку вопроса (или задания) какими либо методическими указаниями;

4. Если в качестве ответа предполагается выбрать несколько верных ответов, то следует сообщить об этом обучаемому фразой: “Укажите все верные ответы”;

5. Указать все верные ответы.

Если же ответ является конструируемым и носит характер математического выражения, то при оформлении такого контрольного вопроса после шага 2 преподаватель должен указать:

1. Формулировку вопроса или задания, которое обучаемый должен выполнить;

2. Форму ответа;

3. Верный ответ;

4. Как разбить верный ответ на фрагменты с учетом знаков для внесения их в палитру, содержащую элементы конструируемого ответа;

5. Хотя бы один неверный элемент, который следует добавить в палитру.

Если преподаватель желает реализовать проверку знания формулировок понятий, теорем, и проч., то он может использовать для ответа текстовую палитру. Для этого при подготовке такого контрольного вопроса следует:

1. записать формулировку вопроса,

2. дать формулировку ответа, выделив в ней слова, которые должны будут быть удалены из конструкции ответа,

3. занести выделенные слова в текстовую палитру,

4. дополнить палитру хотя бы одним неверным словом.

Предметный указатель наполняется автоматически, при этом используется информация, указываемая при создании терминальных текстов. Терминальные тексты сортируются в алфавитном порядке их названий, к каждому прикрепляется ссылка на соответствующий раздел теории.

Работа по оформлению КУ включает в себя следующие действия:

1. занесение в информационную базу КУ полного названия КУ,

2. занесение в информационную базу КУ фамилии автора,

3. занесение в информационную базу КУ года создания КУ,

4. выбора изображения, которое требуется показать обучаемому в начале работы с КУ.

Окно «оформление учебника» разделено на две части, в левой из которых располагается панель ввода информации, а в правой расположена область просмотра, в которую выводится стартовое окно КУ в том виде, в каком оно будет представлено обучаемому.

По завершении работы по внесению материалов в информационную базу КУ следует выполнить следующие действия:

1. убедиться в полноте внесенной информации, отмечая маркером «галочка» узлы дерева в окне «Оглавление учебника», работа с которыми завершена,

2. найти в папке с программой папку, которая была указана на этапе создания информационной базы.

Эта папка содержит информационную базу КУ.



3.3 Инструкция по практическому использованию компьютерного учебника в учебном процессе



Для начала работы с интернет-учебным пособием необходимо подключить компьютер к интернету и зайти на сайт кафедры «Математическая кибернетика» dep805.ru.

Интернет-учебное пособие «Нелинейная теория устойчивости» представляет собой HTML страницу, состоящую из 3-х областей: верхней («вернуться на главную страницу»), левой (содержание) и правой (основное окно).

В левой части Интернет-учебного пособия находится содержание, представляющее собой ссылки на разные разделы и подразделы учебника. Содержание представляет собой простой в использовании список гиперссылок, который можно использовать в любых браузерах. Содержание включает две главы («Классический метод функций Ляпунова в теории устойчивости движения» и «Теоремы об асимптотической устойчивости с двумя функциями Ляпунова»), каждая из которых разбита на параграфы, тестирование и предметный указатель.

В правой части находится главное окно, в котором отображаются текст, формулы и рисунки. Главное окно дополнено средствами навигации: кнопками «В начало», «Назад», «Дальше» и полосами плавной прокрутки, которые позволяют сдвигать текст не более чем на два экрана. Это сделано для удобства усвоения информации.

С любой страницы учебника можно вернуться на главную с помощью ссылки «Нелинейная теория устойчивости», расположенной в верхней области окна.

С целью проверки знаний обучаемого в конце каждой главы создан раздел «тестирование», представляющий собой набор вопросов по изученному материалу. Вопросы включают в себя основные определения, теоремы и леммы, необходимые для понимания материала.

Предметный указатель является последним разделом учебника и позволяет открывать искомые разделы учебника во всплывающем окне. Предметный указатель представляет собой простой в использовании список гиперссылок, расположенных в алфавитном порядке, что существенно облегчает поиск необходимого материала. Алфавитно-предметный указатель включает в себя ключевые определения, теоремы, примеры.


4. Технология создания компьютерного учебника



4.1 Перевод текста из формата TEX в формат HTML



Оформление научных документов, включающих формулы, всегда было делом трудоемким. Еще 15 лет назад в напечатанный на машинке текст математические выражения вписывались вручную, размечались специальным образом и в таком виде шли в набор, после чего долго и мучительно вносились необходимые правки. Затем на помощь пришли компьютеры, использование которых, конечно, значительно упростило эту процедуру, но всех проблем, увы, не решило. В частности, поскольку разные приложения обеспечивают работу с формулами различными способами, их преобразование из одного формата в другой является задачей далеко не тривиальной.

Для внесения в компьютерный учебник автору данного дипломного проекта был предложен теоретический материал в формате TEX, но наполнение информационной базы КУ в программной среде TBBuilder 2 возможно только материалом в формате Word или HTML. Отсюда возникла задача перевода предложенного текста из формата TEX в любой из этих двух форматов.

Созданная Дональдом Кнутом система верстки математических текстов TeX буквально сразу завоевала признание профессионалов, постепенно была расширена многочисленными шрифтами, надстройками, дополнениями и в конце концов фактически стала стандартом в большинстве научных изданий. Причины такого успеха сегодня хорошо известны: исключительное качество работы TeX, адаптируемая архитектура и, конечно же, бесплатность, особенно актуальная для наших западных коллег, отличающихся трепетным отношением к авторским правам и лицензионной чистоте.

Правда, работа в этой системе сродни программированию, и, следовательно, требует определенного периода обучения – тем большего, чем лучших результатов вы хотите добиться. Естественно, для многих специалистов – математиков, физиков, экономистов – это непрофильный вид деятельности. Потому неудивительно, что современные ученые и студенты, избалованные графическими интерфейсами, предпочитают более простые способы оформления формул – будь то WYSIWYG-надстройки к TeX (лучшие из которых, к сожалению, достаточно дороги) или мощные современные текстовые процессоры вроде Microsoft Word, располагающие для этого собственными инструментами.

Последними, кстати, не гнушаются многие профессионалы и даже целые издательства. В Microsoft Word, к примеру, имеется Equation Editor, который предоставляет в распоряжение пользователя более 250 математических символов и автоматически форматирует формулы с дробями, суммами, интегралами и прочими выражениями. Однако этим его возможности и исчерпываются - никаких дополнительных удобств. Но если возможностей Equation Editor не хватает, нередко пользуются полновесной программой MathType компании Design Science, которая предоставляет расширенные наборы специальных символов и шаблонов, средства автоматизации с помощью макросов и другие дополнительные функции, влияющие в том числе и на качество отображения самих формул.

Однако научная деятельность предполагает сотрудничество, частую переработку статей, создание отчетов и рефератов как по отдельным проектам, так и в рамках целых подразделений. Свести же воедино разрозненные документы – задача непростая, поэтому потребность в разного рода конверторах возникла, наверное, одновременно с TeX.

К сожалению, с преобразованием форматов дела обстоят не совсем гладко – даже когда речь идет об обычных документах, и уж тем более с формулами. Своеобразный прорыв был совершен несколько лет назад, причем нашими соотечественниками. Программа Word2TeX (и TeX2Word) создана Кириллом и Анной Чикрий и представляет собой обычный конвертер файлов для Microsoft Word. По их словам, для создания Word2TeX и TeX2Word потребовались достаточно серьезные и кропотливые исследования, поскольку формат объектов Equation Editor/MathType в те времена был закрытым. Лишь после выхода в свет указанных программ компания Design Science решила обнародовать данную информацию, что значительно упростило задачу сторонним разработчикам. Единственное отличие Word2TeX от других конвертеров - дополнительное диалоговое окно, в котором можно настроить различные параметры преобразования и результирующий формат, а также дополнить преамбулу документа необходимыми директивами (например, для поддержки кириллицы). Работает все просто великолепно и достаточно быстро.

В настоящее время существует достаточно мало конвертеров, позволяющих переводить в Word тексты, содержащие специальные математические термины.

Продукт GrindEQ – это набор из четырех утилит (модулей), которые подключаются к Microsoft Word в виде надстройки и, помимо конвертации документов из формата DOC в TeX (AMS-TeX, AMS-LaTeX, Plain TeX, LaTeX версии 2.09 и выше) и обратно, предоставляют также возможность преобразования объектов MathType (версий 3.5, 4 и выше) в Microsoft Equation 3.0 и нормализации уравнений. Все утилиты могут приобретаться по отдельности, в зависимости от реальных потребностей.

Модуль преобразования из MathType в Microsoft Equation 3.0 – самый простой, его можно получить просто «в нагрузку» к более сложным. Назначение его также очевидно, ведь иначе править объекты MathType без наличия «родительской» программы невозможно. Сама процедура выполняется без каких-либо трудностей и видимых огрехов (тестировались довольно сложные формулы). Единственная проблема иногда возникает со шрифтами: в Microsoft Equation используются MTExtra и Symbol, а в MathType – Euclid Extra и Euclid Symbol, по начертанию они несколько отличаются. Можно, конечно, выполнить их замену, но с целью улучшения качества печатных документов рекомендуется установить более новые шрифты, легально доступные на Web-узле Design Science. Между прочим, во время конвертации создается новый документ, куда помещаются преобразованные формулы, которые затем через буфер обмена переносятся в исходный, после чего промежуточный удаляется – все это приводит к мельканию страниц на экране, что несколько раздражает.

Документы Microsoft Word конвертируются в любой из поддерживаемых форматов TeX, причем программа позволяет выполнять как преобразование всего текста, так и только уравнений (не касаясь таблиц, рисунков и прочих объектов), что существенно ускоряет операцию. В ходе полной конвертации к результирующему тексту можно добавить стандартную преамбулу (скажем, для поддержки кириллицы), сохранить форматирование, а также поместить содержащиеся в документе иллюстрации в отдельные файлы и вставить их в документ TeX с помощью специальных команд.

При преобразовании из поддерживаемых форматов TeX в документ Microsoft Word уравнения допускается сохранять в форматах как MathType, так и Microsoft Equation 3.0. К сожалению, при этом иногда обрезается первая буква первого предложения (с чем это связано, отследить не удалось), а также порой используется более крупный кегль (для элементов, которые в формуле пишутся не курсивом, а прямым шрифтом). По-видимому проблемы с преобразованием из TeX в Word связаны еще и с тем принципиальным моментом, что TeX допускает множество способов получить одну и ту же формулу. Это достоинство с точки зрения обычного (а тем более опытного) пользователя превращается в нелегкую задачу для разработчика конвертера.

Впрочем, проблема форматирования в формулах частично (но, к сожалению, не полностью) решается с помощью модуля нормализации, который предназначен для приведения всех объектов Microsoft Equation 3.0 к единому виду (т. е. одним и тем же шрифтам, стилям и размерам символов). Если параметры не заданы явно (в соответствующих диалоговых окнах редактора Microsoft Equation), утилита использует установки последнего из открывавшихся уравнений. Кстати, нормализация не касается объектов MathType, их вначале следует преобразовать в формат Microsoft Equation 3.0.

Для выполнения алгоритма преобразования текстов по «Нелинейной теории устойчивости» из формата TeX в формат MSWord использовалось программное обеспечение: Microsoft Office Word, Design Science MathType, конвертер Chikrii Softlab TeX2Word.

\Win1251\ - Папка, в которую помещается оригинал-макет после преобразования в кодировку Windows.

\MsWord\ - Папка, в которую помещаются файлы с выбранными главами книги в формате MSWord.

Алгоритм конвертирования:

1. Открыть файл с разделом для обработки в формате TeX (в кодировке ANSI) \Win1251\mv_??.tex

2. Открыть файл \Win1251\sample.inc, очистить его

3. Выделить в файле mv_??.tex нужную порцию текста и скопировать ее в файл sample.inc

4. Произвести глобальную замену символов в файле sample.inc "\," на "$\,$" и сохранить файл

5. Открыть файл \Win1251\sample.tex в Microsoft Word

6. Проверить правильность конвертации математических символов и внести необходимые изменения в файл \Win1251\sample.def

7. В полученном документе:

Проверить нумерацию заголовков

Изменить размер шрифта на 14

Отформатировать формулы (Format equations)

Сделать абзацные отступы 1.25 см

Установить полуторный межстрочный интервал

Вставить в текст рисунки, скопировав их через буфер переноса из файла, содержащего текст учебника в формате pdf (mvfl.pdf) или из файлов *.eps, открытых в Photoshop.

8. Сохранить файл под именем \Msword\mvfl_X.doc, где X - порядковый номер раздела.



4.2 Технология создания компьютерных учебников, содержащих специальные математические тексты



Особенностью теоретического курса интернет-учебного пособия «Нелинейная теория устойчивости» является квинтэссенция математических изысканий – формулы и теоремы. Необходимо было наглядно и в удобном виде предоставить знания обучаемому.

Проанализировав принципы, методы и средства построения компьютерных учебников и подготовив материал по «Нелинейной теории устойчивости», возникла необходимость разработки технологии создания компьютерных учебников, содержащих специальные математические тексты.

Из приведенной выше схемы видно, что последовательность выполнения основных действий (на рис. обозначены овалами) имеет следующий вид: сбор материала для включения в компьютерный учебник  создание оглавления КУ  установление соответствия пунктов оглавления и фрагментов текста разработка интерфейса страниц  выделение опорных терминов и формул на каждой странице  организация навигации по страницам создание алфавитно-предметного указателя и тестового модуля КУ  тестирование готового КУ. Результаты выполнения данных действий обозначены на рисунке прямоугольниками.

Интернет-учебное пособие «Нелинейная теория устойчивости» создано с использованием данной технологии. Это позволило наглядно, в удобном виде предоставить обучаемому необходимые знания по данной дисциплине и предоставить обучаемому возможность осуществления самопроверки знаний при прохождении им тестирования в конце каждой главы компьютерного учебника, что выразилось в облегчении и упрощении труда преподавателя по формированию знаний обучаемых, а также повышении эффективности процесса обучения по данной дисциплине.

С учетом указанных в пункте 4.1. трудностей при конвертировании математических текстов, содержащих большое количество формул, из формата TEX в формат HTML или Word, а также учитывая технологию создания компьютерных учебников, содержащих специальные математические термины, была создана полная схема создания интернет-учебного пособия. Данная схема приведена на рисунке 2.





Рис.2. Схема создания компьютерного учебника



Рис.2. Схема создания компьютерного учебника

Условные обозначения, используемые в рисунке 2:



Описание действия

Приложение

Операции, выполняемые в пользовательском режиме при работе с внешним приложением Windows.



Описание действия

(имя скрипта)

Операции, выполняемые в автоматическом режиме при помощи сервера сценариев Windows.





Описание 

(список файлов)

Описание блока данных, передаваемых из одной операции в другую. Стрелками указаны направления перемещения блоков данных.



Алгоритм формирования учебника:

1. Формирование древовидной структуры книги и преобразование исходных файлов в кодировку Windows-1251 (ANSI).

Вход: Оригинал-макет книги в формате TeX в кодировке MSDOS

Действие: Выполняется скрипт для обработки текста

Выход: Структура книги в формате XML

Оригинал-макет книги в формате TeX в кодировке ANSI

2. Выделение в XML-структуре ветвей, включаемых в учебник

Вход: Структура книги в формате XML

Действие: Ветви отмечаются атрибутом avail="1"

Выход: Структура книги в формате XML

3. Формирование структуры учебника в формате программы TBBuilder

Вход: Структура книги в формате XML

Действие: Выполняется скрипт для обработки текста

Выход: Структура папок и файлов учебника

Дополненный файл структуры книги в формате XML

4. Преобразование текстов из формата TeX в формат MSWord

Вход: Оригинал-макет книги в формате TeX в кодировке ANSI

Действие: Осуществляется алгоритм полуавтоматического преобразования текста из формата TeX в формат MSWord.

Для выполнения алгоритма используется программное обеспечение: Microsoft Office Word, Design Science MathType, Chikrii Softlab TeX2Word

Выход: Файлы в формате MSWord

5. Преобразование текстов из формата MSWord в формат HTML и заполнение структуры учебника для программы TBBuilder

Вход: Файлы в формате MSWord

Дополненный файл структуры книги в формате XML

Действие: Выполняется скрипт для обработки текста

Выход: Структура папок и файлов учебника, вместе с HTML-страницами

6. Доработка учебника в среде TBBuilder (создание контрольных тестов и предметного указателя)

Вход: Структура папок и файлов учебника

Действие: Работа с программой TBBuilder

Выход: Структура папок и файлов учебника

7. Доработка HTML-дизайна учебника

Вход: Файлы с дизайном учебника

Действие: Редактирование файлов с помощью notepad.exe

Выход: Файлы с дизайном учебника

8. Компиляция учебника

Вход: Структура папок и файлов учебника

Действие: Работа с программой Project1.exe – компилятором учебника

Выход: Структура папок и файлов готового учебника




5. Расчет экономической эффективности внедрения компьютерного учебника в учебный процесс и определение затрат на разработку электронного учебника



В дипломном проекте разрабатывается программа: интернет учебное пособие по нелинейной теории устойчивости.

В экономическом плане разрабатываемое программное средство должно отвечать требованиям наибольшей эффективности, обеспечивая существенное снижение трудоемкости, себестоимости и скорости выполняемых работ.

Данный раздел дипломного проекта посвящен решению следующих задач:

разработка плана создания программы;

определение затрат на разработку программы и его цены;

оценка экономической эффективности внедрения программы.



5.1 План разработки программы



Этот раздел выполняется с использованием сетевого метода планирования и управления.

Сетевой моделью (другие названия: сетевой график, сеть) называется экономико-компьютерная модель, отражающая комплекс работ (операций) и событий, связанных с реализацией некоторого проекта (научно-исследовательского, производственного и др.), в их логической и технологической последовательности и связи.

Анализ сетевой модели, представленной в графической или табличной (матричной) форме, позволяет,

во-первых, более четко выявить взаимосвязи этапов реализации проекта и

во-вторых, определить наиболее оптимальный порядок выполнения этих этапов в целях, например, сокращения сроков выполнения всего комплекса работ.

Математический аппарат сетевых моделей базируется на теории графов.

Основные понятия сетевой модели:

событие: при графическом представлении изображается кружком;

работа: при графическом представлении изображается стрелками;

путь: цепочка следующих друг за другом работ, соединяющих начальную и конечную вершины.

Над стрелками указывается ожидаемое время выполнения работ.

Библиотека работ имеет следующий вид, приведенный в Таблице 2.



Таблица 2

Библиотека работ

Этапы выполнения работ

Основные задачи и состав работ

Время выполнения (в днях)

1. Разработка технического задания 

a) составление проекта ТЗ заказчиком

8



b) проработка проекта ТЗ исполнителем

7



с) согласование и утверждение ТЗ

5

2. Изучение задания на разработку программы

Выявление дополнительных или уточненных требований к изделию, его характеристикам и показателям качества.





а) изучение научно-технической информации

5



b) предварительные расчеты и уточнение требований ТЗ

3

3. Эскизное проектирование (служит основанием для технического проектирования)

Разработка принципиальных технических решений:





a) анализ возможных допущений

4



b) определение основных параметров задачи 

6



c)выбор основных программных решений

7

4. Техническое проектирование

Окончательный выбор решений по программе в целом выбор алгоритма решения задачи после анализа возможных допущений

7



b) выбор алгоритма решения задачи после определения основных параметров задачи

4



c) уточнение основных параметров задачи после изучения научно-технической информации

4



d) уточнение основных параметров задачи после предварительных расчетов и уточнения требований ТЗ

3



e) разработка подпрограмм с учетом выбранных основных программных решений

23



f) разработка подпрограмм с учетом выбранного алгоритма решения задачи

22



g) разработка подпрограмм с уточненными основными параметрами задачи 

22



h) объединение подпрограмм, отладка программы и проведение тестовых расчетов

37



i) анализ полученных результатов

8

5. Разработка рабочей и пользовательской документации для изготовления и испытания опытного образца

Формирование комплекта документов:





a) разработка полного комплекта рабочей и пользовательской документации

18



b) настройка и комплексная регулировка программы на опытном образце

10

6. Испытания программы

Проверка соответствия работы опытного образца требованиям ТЗ 





a) испытания на объекте заказчика 

9

7. Отработка документации по результатам испытаний

a) внесение необходимых уточнений и изменений в документацию

7

8. Внедрение

a) предоставление заказчику уточненной документации

1



b) установка разработанной программы на объекте заказчика 

2



Этапы разработки и управления ходом работ с помощью сетевого графика имеют следующую последовательность основных операций:

составление перечня всех действий и промежуточных результатов (событий) при выполнении комплекса работ и графическое их отражение;

оценка времени выполнения каждой работы, а затем расчет сетевого графика для определения срока достижения поставленной цели;

оптимизация рассчитанных сроков и необходимых затрат;

оперативное управление ходом работ путем периодического контроля и анализа получаемой информации о выполнении заданий и выработка корректирующих решений.

Для реализации данной сетевой модели должна быть составлена библиотека событий.

Библиотека событий приведена в таблице 3



Таблица 3

Библиотека событий

Коды событий

Наименование событий

0

Начало работ

1

Проект ТЗ заказчика готов

2

Проработка проекта ТЗ исполнителем завершена

3

Согласованное и утвержденное ТЗ

4

Изучение научно-технической информации завершено

5

Предварительные расчеты и уточнения требований ТЗ завершены

6

Анализ возможных допущений завершен

7

Определены основные параметры задачи

8

Выбраны основные программные решения

9

Выбран алгоритм решения задачи

10

Основные параметры задачи уточнены

11

Разработка подпрограмм завершена

12

Готовая программа

13

Проведена оценка соответствия ТЗ

14

Полный комплект рабочей и пользовательской документации 

15

Настройка и комплексная регулировка программы на опытном образце завершена

16

Испытания на объекте заказчика окончены

17

Уточненная документация

18

Работающая программа на объекте заказчика с необходимой документацией



Сетевая модель комплекса приведена на рисунке 3.

Сетевая модель с учетом времени выполнения отдельных работ приведена на рисунке 4 (жирной линией показан критический путь ).

Критический путь равен:  дней (определен по сетевой модели).

Полный резерв времени пути  - это разница между длиной критического пути  и длиной рассматриваемого пути .







Полный резерв пути для разных траекторий приведен в таблице 4.



Таблица 4

Полный резерв пути для разных траекторий

№ событий





1-2-3-4-10-11-12-13-14-17-18

122

2

1-2-3-4-10-11-12-13-15-16-18

117

7

1-2-3-5-10-11-12-13-14-17-18

119

5

1-2-3-5-10-11-12-13-15-16-18

114

10

 1-2-3-6-9-11-12-13-14-17-18

124

0

 1-2-3-6-9-11-12-13-15-16-18

119

5

 1-2-3-7-9-11-12-13-14-17-18

123

1

 1-2-3-7-9-11-12-13-15-16-18

118

6

 1-2-3-8-11-12-13-14-17-18

121

3

 1-2-3-8-11-12-13-15-16-18

116

8



Трудоемкость приведена в таблице 5.



Таблица 5

Трудоемкость выполнения работ

№ п/п

Код работы

Время выполнения (дней)

Количество исполнителей

Трудоемкость чел. час

1

1a

8

1

64

2

1b

7

1

56

3

1c

5

1

40

4

2a

5

1

40

5

2b

3

1

24

6

3a

4

1

32

7

3b

6

1

48

8

3c

7

1

56

9

4a

7

1

56

10

4b

4

1

32

11

4c

4

1

32

12

4d

3

1

24

13

4e

23

1

184

14

4f

22

1

176

15

4g

22

1

176

16

4h

37

1

296

17

4i

8

1

64

18

5a

18

1

144

19

5b

10

1

80

20

6a

9

1

72

21

7a

7

1

56

22

8a

1

1

8

23

8b

2

1

40



5.2 Определение затрат на разработку программы



Расчет заработной платы сотрудников, занятых разработкой программы приводится в таблице 6.



Таблица 6

Расчет заработной платы сотрудников, занятых разработкой программы

№ п/п

Код работы

Трудоемкость чел. час

Среднечасовая ставка

Сумма ЗП

1

1a

64

50

3200

2

1b

56

50

2800

3

1c

40

50

2000

4

2a

40

50

2000

5

2b

24

50

1200

6

3a

32

50

1600

7

3b

48

50

2400

8

3c

56

50

2800

9

4a

56

50

2800

10

4b

32

50

1600

11

4c

32

50

1600

12

4d

24

50

1200

13

4e

184

50

9200

14

4f

176

50

8800

15

4g

176

50

8800

16

4h

296

50

14800

17

4i

64

50

3200

18

5a

144

50

7200

19

5b

80

50

4000

20

6a

72

50

3600

21

7a

56

50

2800

22

8a

8

50

400

23

8b

40

50

2000

Итого

1800



90000



Суммарные затраты на разработку программы (руб) определяются по формуле:



, где



=90000 рублей – общая заработная плата сотрудников, занятых разработкой программы.

=0,2 – коэффициент, учитывающий дополнительную заработную плату (премии)

=0,26 коэффициент, учитывающий оплату единого социального налога (ЕСН)

=0,6 – коэффициент, учитывающий накладные расходы

190080

Цена разработанной программы определяется по формуле:







Где  - норматив рентабельности, учитывающий часть чистого дохода, включенного в цену может быть принят равным 0,2;

- количество организаций, которые могут купить данную программу.



5.2.1 Расчет капитальных вложений

Капитальные вложения, связанные с внедрением новой программы определяются по формуле:



,



где =55000 рублей – капитальные вложения

=2630 маш-ч - годовое машинное время ЭВМ, необходимое для решения задач с помощью программы

руб – цена разработанной программы

=2630 - полный годовой фонд работы ЭВМ.

руб



5.2.2 Расчет годовых эксплуатационных расходов, связанных с использованием разработанной программы

Расходы, связанные с эксплуатацией программы , определяются по формуле



 руб/год



Где =2630 часов – машинное время работы ЭВМ, используемой в течение года для решения задач с помощью разработанной программы.

==40 руб/час – себестоимость одного машиночаса

=1300 руб/год – затраты по ведению программы

=10 лет – срок службы программы





5.3 Оценка экономической эффективности внедрения программы



Годовая экономия эксплуатационных расходов потребителя определяется по формуле:



,



где =250000 – эксплуатационный расход по базовому расчету

=129309,6 - эксплуатационный расход по новому расчету

 руб./год

Срок окупаемости капитальных вложений в новом варианте по сравнению с прежним определяется по формуле:



 года



Рассчитанный срок окупаемости  практически равен нормативному сроку окупаемости =2.5 года, следовательно разработанная программа является экономически оправданной (эффективной).


6. Охрана труда и окружающей среды



Персональные компьютеры используются миллионами людей во всем мире — программистами, операторами и просто пользователями — в процессе повседневной деятельности. Поэтому среди гигиенических проблем современности проблемы гигиены труда пользователей ПЭВМ относятся к числу наиболее актуальных, так как непрерывно расширяется круг задач, решаемых ПЭВМ, и все большие контингенты людей вовлекаются в процесс использования вычислительной техники.

Труд оператора ПЭВМ относится к формам труда с высоким нервно-эмоциональным напряжением. Это обусловлено необходимостью постоянного слежения за динамикой изображения, различения текста рукописных и печатных материалов, выполнением машинописных и графических работ. В процессе работы требуется постоянно поддерживать активное внимание. Труд требует высокой ответственности, поскольку цена ошибки бывает достаточно велика, вплоть до крупных экономических потерь и аварий.

Возросшее применение ПК на рабочих местах различного назначения привлекло внимание к целому ряду фактов отрицательного воздействия на здоровье, которые связаны или считаются связанными именно с работой на компьютере. Воздействие неблагоприятных факторов приводит к снижению работоспособности, вызываемому развивающимся утомлением, а длительное нахождение человека в зоне комбинированного воздействия различных неблагоприятных факторов может привести к профессиональному заболеванию.

В данном разделе, основываясь на государственные стандарты и санитарные нормы, рассмотрены наиболее оптимальные параметры рабочей среды для реального рабочего места.




6.1 Санитарно-гигиенические факторы



6.1.1 Микроклимат

На пользователей ПЭВМ существенное влияние оказывает микроклимат – климат внутренней среды помещения, который определяется действующими на организм человека сочетаниями температуры, влажности и скорости движения воздуха, а также температурой окружающей поверхности.

Работа оператора ПЭВМ, основными функциями которого является разработка и тестирование программ для ПВЭМ, относится к категории «Лёгкая – Iа» (легкая физическая работа). К категории Iа относятся работы, производимые сидя и сопровождающиеся незначительным физическим напряжением.

По результатам проведённых измерений, было установлено, что температура воздуха на рабочем месте оператора ПЭВМ колеблется от 19°С до 22°С в холодный период года и от 22°С до 25°С в тёплый период.

Относительная влажность воздуха составляет 30…65%.

Скорость движения воздуха в течение года составляет 0,1 м/с

Для категории «Лёгкая – Iа» ГОСТ 12.1.005-88 (Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны) устанавливает следующие требования: температура в холодный период года должна составлять – 22…24°С, в тёплый период – 23…25°С; относительная влажность воздуха для рабочего места 40…60% (допустимо до 75% в холодный период года); скорость движения воздуха – не более 0,1 м/с в холодный период и 0,1…0,2 м/с в тёплый период года.

Приведенные значения соответствуют оптимальным нормам температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений.

Реальные параметры температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха на рабочем месте практически соответствуют требованиям ГОСТ 12.1.005-88.

В помещении проводится ежедневная влажная уборка. Согласно СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 производится проветривание помещения через каждый час работы ПЭВМ.

Вредные вещества в зоне рабочего места оператора не присутствуют.



6.1.2 Освещенность

По характеру выполняемой работы, работу по разработке и тестированию программ для ПВЭМ можно отнести к 4 разряду зрительной работы (характеристика зрительной работы - различение объектов при фиксированной и нефиксированной линии зрения). Подразряд зрительной работы Б.

Основная нагрузка при работе за компьютером приходится на глаза. Их утомляемость во многом зависит не только от качества изображения на экране, но и от общей освещенности помещения. В то время как для обычных офисов рекомендуется освещенность до 1600 лк, для рабочих мест, оснащенных видеотерминалами, рекомендуется освещенность 100-500 лк. Для работы категории Iа в соответствии со СНиП 22-05-95, освещенность на поверхности стола и клавиатуре должна быть не менее 300 лк, а вертикальная освещенность экрана - всего 100-250 лк. Исследования физиологов и гигиенистов убедительно доказали, что и полутьма, и слишком высокая освещенность экрана приводят к быстрому зрительному утомлению.

По классификации, представленной в СниП 23-05-95, в помещении для разработки и тестирования программ для ПВЭМ представлено боковое естественное освещение (одно окно 1,5м х 1,75м, которое выходит на юг). Согласно СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 окна в помещениях, где эксплуатируется ПВЭМ преимущественно должны быть ориентировны на север, северо-восток. Оконные проемы должны быть оборудованы регулируемыми устройствами типа: жалюзи, занавесей, внешних козырьков и др.

Размещать компьютер рекомендуется так, чтобы свет (естественный или искусственный) падал сбоку, лучше слева, это избавит оператора от мешающих теней и поможет снизить освещенность экрана. В качестве источников освещения рекомендуется применять люминесцентные лампы типа ЛБ со светильниками серии ЛПО36 с зеркализованными решетками. Лампы накаливания лучше использовать для местного освещения зоны рабочего документа (клавиатуры, книги, тетради). Люстра в рабочей комнате должна иметь закрытые снизу светильники, так, чтобы на экран монитора падал рассеянно-отраженный свет. Это избавит оператора ПЭВМ от бликов и облегчит зрительную работу (СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 (Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы)). А настольная лампа, наоборот, должна иметь плотный, непросвечивающий абажур, направляющий свет прямо в зону рабочего документа.

Так как исследуемое помещение, в котором находится рабочее место оператора, является помещением с постоянным пребыванием людей, оно имеет совместное освещение, при котором недостаточное естественное освещение дополняется искусственным. Естественное освещение осуществляется через два окна в наружных стенах и является двухсторонним, боковым. Искусственное освещение осуществляется в виде комбинированной системы освещения с использованием люминесцентных источников света.



6.1.3 Шум и вибрации

Шум неблагоприятно воздействует на организм человека, вызывает психические и физиологические нарушения, снижающие работоспособность и создающие предпосылки для профессиональных заболеваний.

Основным источником шума являются вентиляторы охлаждения ПЭВМ, устройство для чтения компакт-дисков, жесткий диск ПЭВМ. Уровень шума в помещении с ПЭВМ составляет 49 дБА (при основной работе оператора на мониторах и ПЭВМ уровень шума не должен превышать 65 дБА). Таким образом, уровень шума соответствует ГОСТ 12.1.012-83 и СН 3223-85.

Вибрации на рабочем месте оператора ПЭВМ создаются при работе системы охлаждения процессора ПЭВМ (вентиляторы), устройства для чтения компакт-дисков(CD-ROM) и ПЗУ. Общий уровень вибрации на рабочем месте оператора ПЭВМ составляет 67 дБ (общий уровень вибрации не должен превышать 79 дБ). Вибрации на рабочем месте оператора ПЭВМ соответствуют ГОСТ 12.1.012-90 ССБТ и СН 3044-84.



6.1.4 Излучения и поля

К числу вредных факторов, с которыми сталкивается человек, работающий за монитором, относятся рентгеновское и электромагнитное излучения, а также электростатическое поле. (Допустимые нормы для этих параметров представлены в таблице 7)



Таблица 7

Допустимые значения параметров излучений, генерируемых видеомониторами

Параметры

Допустимые значения

Мощность экспозиционной дозы рентгеновского излучения на расстоянии 0,05 м вокруг видеомонитора 

100 мкР/час

Электромагнитное излучение на расстоянии 0,5 м вокруг видеомонитора по электрической составляющей: в диапазоне 5 Гц-2 кГц 

25 В/м

в диапазоне 2-400 кГц

2,5 В/м

по магнитной составляющей: в диапазоне 5 Гц-2 кГц 

250 нТл

в диапазоне 2-400 кГц 

25 нТл

Поверхностный электростатический потенциал 

Не более 500 В



Благодаря существующим достаточно строгим стандартам дозы рентгеновского излучения от современных видеомониторов не опасны для большинства пользователей. Исключение составляют люди с повышенной чувствительностью к нему (в частности, рентгеновские излучения от монитора опасны для беременных женщин, поскольку могут оказать неблагоприятное воздействие на плод на ранних стадиях развития).

Специалисты не пришли к однозначному выводу относительно воздействия электромагнитного излучения на организм человека, однако совершенно очевидно, что уровни излучения, фиксируемые вблизи монитора (см. таблицу), опасности не представляют.

При работе монитора возникает и электростатическое поле. Уровни его напряженности невелики и не оказывают существенного воздействия на организм человека в отличие от более высоких уровней электростатического поля, характерных для промышленных условий. Более значимой для пользователей является способность заряженных микрочастиц адсорбировать пылинки, тем самым препятствуя их оседанию и повышая дополнительный риск аллергических заболеваний кожи, глаз, верхних дыхательных путей.



6.2 Эргономические факторы



Основными элементами рабочего места оператора являются: рабочий стол, рабочий стул, дисплей, клавиатура.



6.2.1 Рабочий стол оператора

Конструкция рабочего стола обеспечивает возможность размещения на рабочей поверхности необходимого комплекта оборудования и документов.

Рабочий стол по конструктивному исполнению является нерегулируемым по изменению высоты рабочей поверхности. Высота рабочей поверхности составляет 725 мм. По ГОСТ Р 50923-96 высота рабочей поверхности стола при нерегулируемой высоте должна составлять 725 мм, следовательно реальная высота соответствует требованию ГОСТа.

Размеры рабочей поверхности стола: глубина – 800 мм, ширина – 1600 мм. По ГОСТ Р 50923-96 размеры рабочей поверхности стола должны быть: глубина – не менее 600 мм, ширина – не менее 1200 мм, следовательно размеры рабочей поверхности стола удовлетворяют требованиям ГОСТа.

Рабочий стол имеет пространство для ног со следующими параметрами: высота – 715 мм, ширина – 1550 мм, глубина на уровне колен и на уровне вытянутых ног – 800 мм. По ГОСТ Р 50923-96 рабочий стол должен иметь пространство для ног высотой не менее 600 мм, шириной – не менее 500 мм, глубиной на уровне колен – не менее 450 мм и на уровне вытянутых ног – не менее 650 мм. Размеры пространства для ног удовлетворяют требованиям ГОСТа.

Рабочая поверхность стола не имеет острых углов и краёв. Покрытие рабочей поверхности выполнено из диффузно – отражающего материала с коэффициентом отражения около 0.45. По ГОСТ Р 50923-96 коэффициент отражения должен находится в пределах 0,45 – 0,50 , следовательно покрытие рабочего стола удовлетворяет требованию ГОСТа.



6.2.2 Рабочий стул оператора

Рабочий стул оператора – подъёмно-поворотный, регулируемый по высоте и углу наклона спинки, а также расстоянию спинки от переднего края сиденья. Стул оснащён стационарными подлокотниками.

Поверхность сидения имеет ширину 410 мм, глубину 420 мм. Высота поверхности сидения регулируется от 400 до 560 мм. По ГОСТ Р 50923-96 ширина и глубина поверхности сиденья должна быть не менее 400 мм, и её высота должна регулироваться в пределах от 400 до 550 мм. Реальные параметры удовлетворяют требованиям ГОСТа.

Опорная поверхность спинки стула имеет высоту 500 мм, ширину 400 мм и радиус кривизны в горизонтальной плоскости 400 мм. Угол наклона спинки в вертикальной плоскости регулируется в пределах 0° ± 30° от вертикального положения. Расстояние спинки от переднего края сиденья регулируется в пределах от 270 до 420 мм. По ГОСТ Р 50923-96 опорная поверхность спинки стула должна иметь высоту (300±20) мм, ширину не менее 380 мм и радиус кривизны в горизонтальной плоскости 400 мм, следовательно реальные параметры соответствуют требованиям ГОСТа

Подлокотники имеют длину 25 мм, ширину 8 мм. По ГОСТ Р 50923-96 длина подлокотников должна быть не менее 250 мм, ширина – 50-70 мм, иметь возможность регулирования по высоте над сиденьем в пределах от 350 до 500 мм. В нашем случае подлокотники не являются регулируемыми по высоте и внутреннему расстоянию между ними и, следовательно, не удовлетворяют требованию ГОСТа.



6.2.3 Дисплей

Дисплей расположен на рабочем столе оператора, таким образом, что изображение в любой его части различимо без необходимости поднять или опустить голову. При этом дисплей установлен ниже уровня глаз оператора, угол наблюдения экрана оператором примерно равен 35°. По ГОСТ Р 50923-96 угол наблюдения экрана оператором относительно горизонтальной линии взгляда не должен превышать 60°, следовательно расположение дисплея удовлетворяет требованию ГОСТа.

Конструкция дисплея обеспечивает возможность фронтального наблюдения экрана путем поворота корпуса в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси в пределах ±60° и в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси в пределах ±30° с фиксацией в заданном положении. По ГОСТ Р 50948-96 конструкция дисплея должна обеспечивать возможность фронтального наблюдения экрана путем поворота корпуса в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси в пределах ±30° и в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси в пределах ±30° с фиксацией в заданном положении. Требования ГОСТ выполняются.

Корпус дисплея, клавиатура и системный блок имеют матовую поверхность серого цвета с коэффициентом отражения 0,5. По ГОСТ Р 50948-96 корпус дисплея, клавиатура и другие блоки устройства ПЭВМ должны иметь матовую поверхность одного цвета с коэффициентом отражения 0,4 – 0,6. Требования ГОСТ выполняются.

Конструкция дисплея предусматривает регулировку яркости и контраста. Яркость фона изменяется в пределах 10 – 200 кд/м2, по ГОСТ Р 50948-96 яркость фона должна изменяться в диапазоне 10-150 кд/м2 – соответствие ГОСТ. Внешняя освещенность экрана изменяется в пределах 100-700 лк, по ГОСТ Р 50948-96 внешняя освещенность экрана должна изменяться в пределах 100 – 500 лк – соответствие ГОСТ.



6.2.4 Клавиатура

Клавиатура на рабочем месте оператора расположена так, что обеспечивается оптимальная видимость экрана.

Клавиатура имеет возможность свободного перемещения по рабочей поверхности стола. Она может быть расположена на расстоянии от 90 до 320 мм от переднего края, обращённого к оператору. По ГОСТ Р 50923-96 клавиатуру следует располагать на поверхности стола на расстоянии от 100 до 300 мм от переднего края, обращённого к оператору, что достижимо в реальных условиях.



6.3 Психофизиологические факторы



Психофизиологические требования к дисплею вытекают из особенностей и характеристик зрительного восприятия, на основании которых определяются светотехнические параметры дисплея, размер экрана, символов, цветовые параметры, скорость смены информации.



6.3.1 Основные характеристики изображения на экране

Монитор - это, как правило, единственное устройство, "лицом к лицу" с которым пользователь проводит не один год. Удобочитаемость информации на экране зависит от четкости элементов изображения. Основными параметрами изображения на экране монитора являются яркость, контраст, размеры и форма знаков, отражательная способность экрана, наличие или отсутствие мерцаний.

Яркость изображения (имеется в виду яркость светлых элементов, т.е. знака для негативного изображения и фона для позитивного) нормируется для того, чтобы облегчить приспособление глаз к самосветящимся объектам. Ограничены также (в пределах (25%) и колебания яркости. Оптимальной считается та яркость, при которой максимально проявляются контрастная чувствительность глаза, острота зрения и быстрота различения сигналов. Нижней комфортной границей уровня яркости можно считать 30 кд/м, верхняя комфортная граница яркости определяется значением слепящей яркости. Яркость символов на экране должна быть обязательно согласована с яркостью фона на экране и окружающим освещением. Нормируется внешняя освещенность экрана (100 - 250 лк). Исследования показали, что при более высоких уровнях освещенности экрана зрительная система утомляется быстрее и в большей степени.

До сих пор спорным остается вопрос о том, что лучше для зрения: позитивное изображение (светлый экран и темные символы) или, наоборот, негативное изображение. И для того и для другого варианта можно привести доводы за и против. Гигиенисты считают, однако, что если работа с ПЭВМ предполагает одновременно и работу с бумажным носителем — тетрадь, книга (то есть приходится попеременно смотреть на участки с позитивной и негативной полярностью), то лучше и на экране монитора иметь темные символы на светлом фоне, чтобы глазам не приходилось все время перестраиваться. При выборе цветовой гаммы предпочтение следует отдавать зелено-голубой части спектра. Опрос, проведенный в 1997г. среди студентов Московской медицинской академии имени И.М. Сеченова, показал, что 66% пользователей предпочитают для длительной работы с видеотерминалом позитивное изображение, в основном вариант "голубой экран - черные символы".

Мнения по поводу выбора определенного цвета свечения экрана также расходятся. Предполагается, что белый, зеленый и оранжевый цвета дают одинаковую четкость при негативной полярности; при наблюдении с больших расстояний зеленый и оранжевый цвета видны лучше, тогда как белый несколько способствует уменьшению числа ошибок чтения. Если учитывать цветовую слепоту и цветное бинокулярное зрение, то красный и голубой цвета не рекомендуются. Вообще, многоцветное представление информации на экране компьютера значительно упрощает ее анализ, однако может вызвать проблемы у людей с дефектами цветового зрения.

Весьма часто фактором, способствующим быстрому утомлению глаз, становится и контраст между фоном и символами на экране. Понятно, что малая контрастность затрудняет различение символов, однако и слишком большая тоже вредит. Поэтому контраст должен находиться в пределах от 3:1 до 1,5:1. При более низких уровнях контрастности у работающих быстрее наступают неблагоприятные изменения способности фокусировать изображение и критической частоты слияния световых мельканий, регистрировалось больше жалоб на усталость глаз и общую усталость. Видимый яркостной контраст вычисляют как отношение разности яркостей символа и фона к большей яркости. Различают прямой и обратный вид контраста: если объект темнее фона, контраст называют прямым, если ярче фона – обратным.

Тогда



при  ,



при  ,



где К – яркостной контраст, %;  - яркость объекта, кд/м;  - яркость фона.

Человеческий глаз не может долго работать с мелкими объектами. Вот почему нормируются размеры знаков на экране. Например, угловой размер знака должен быть в пределах от 16 до 60 угловых минут, что составляет от 0,46 до 1,75 см, если пользователь смотрит на экран с расстояния 50 см (минимальное расстояние, рекомендуемое гигиенистами).

СанПиН включает несколько параметров, определяющих допустимую форму и размеры знака. Размер экрана и символы на экране необходимо выбирать с учётом требуемого объёма предъявляемой информации, легкости её считывания и длительности работы с экраном. В нашем случае размер экрана по диагонали 35 см (в соответствии с СанПиН 2.2.2.542-96 не менее 31 см). Оптимальные соотношения основных параметров букв и цифр следующие: ширина знака – 0,75 его высоты; толщина линий при обратном контрасте 1/10 – 1/13 высоты знака, при прямом контрасте 1/6 – 1/8; расстояние между знаками 0,25 – 0,5 высоты знака, между словами 0,75 – 1,0, между строками 0,5 – 1,0 высоты знака. Удобочитаемость снижается, если растр изображения виден; увеличение матрицы знака (до 7*9) повышает удобочитаемость. Оптимальная величина знаков диктуется как достаточными для идентификации размерами, так и тем, что знаки не должны быть слишком большими, иначе при чтении слишком мало знаков попадает в поле зрения. Поскольку яркость, в принципе, меняется при каждом пробеге сканирующего луча, четкость символов определяется крутизной изменения яркости при пересечении контура символа.

Отражательная способность экрана не должна превышать 1%. Для снижения количества бликов и облегчения концентрации внимания корпус монитора должен иметь матовую одноцветную поверхность (светло-серый, светло-бежевый тона) с коэффициентом отражения 0,4-0,6, без блестящих деталей и с минимальным числом органов управления и надписей на лицевой стороне. Антибликовое покрытие уменьшает отражение внешнего света от стеклянной поверхности экрана. Различают несколько типов покрытия: например, специальная, рассеивающая световой поток, гравировка экрана; более эффективное кремниевое покрытие, часто применяемое в стеклянных фильтрах; особые виды устанавливаемых на кинескоп антибликовых панелей. Следует, однако, отметить, что первые два способа уменьшения отражающей способности экрана несколько снижают контрастность и ухудшают цветопередачу, поэтому мониторы с блестящими экранами обычно передают цвета ярче.

Изменение яркости во время одного цикла регенерации может восприниматься как мерцание. Частота, при которой не наблюдается мерцаний — частота слияния мерцаний. Восприятие мерцания зависит не только от частоты регенерации, но и от ряда других параметров, таких как яркость экрана, освещенность помещения, степень осцилляции, контраст, а также от использования центрального или периферического зрения и от индивидуальной чувствительности. Мерцание отрицательно воздействует на зрительный комфорт оператора и может вызвать симптомы зрительного утомления. Поскольку сетчатка глаза вынуждена постоянно перенастраиваться, видимые мерцания способствуют возникновению адаптационной перегрузки глаз, и, кроме того, изменению аккомодации.

Изменение положения символов на экране во времени — дефект, называемый дрожанием изображения. Это явление связано с неправильными колебаниями магнитного поля, используемого для отклонения электронного луча.

Некоторые виды люминофора имеют значительное послесвечение, то есть яркость символов снижается очень медленно, и они воспринимаются на протяжении нескольких периодов регенерации после того, как соответствующие пиксели уже больше не облучаются. Такое явление значительно снижает четкость изображения; на мониторах с быстрыми люминофорами оно не наблюдается.

Основные нормируемые визуальные характеристики мониторов и соответствующие допустимые значения этих характеристик представлены в таблице 8.



Таблица 8

Некоторые нормируемые визуальные параметры видеотерминалов

Параметры

Допустимые значения

Яркость знака или фона (измеряется в темноте)

35-120 кд/м2

Контраст 

От 3:1 до 1,5:1

Временная нестабильность изображения (мерцания) 

Не должна быть зафиксирована более 90% наблюдателей 

Угловой размер знака

16-60

Отношение ширины знака к высоте 

0,5-1,0

Отражательная способность экрана (блики)

не более 1%

Неравномерность яркости элементов знаков

не более  25%

Неравномерность яркости рабочего поля экрана

не более  20%

Формат матрицы знака

для прописных букв и цифр, (для отображения строчных букв с нижними выносными элементами формат матрицы должен быть увеличен сверху или снизу на 2 элемента изображения)

не менее 7 * 9 элементов изображения

не менее 5 * 7 элементов изображения

Размер минимального элемента отображения (пикселя) для монохромного монитора, мм

0,3

Допустимое горизонтальное смещение однотипных знаков, % от ширины знака

не более 5

Допустимое вертикальное смещение однотипных знаков, % от высоты матрицы,

не более 5

Допустимая пространственная нестабильность изображения (дрожание по амплитуде изображения) при частоте колебаний в диапазоне от 0,5 до 30 Гц, мм

не более 2L*10-4 (L-расстояние наблюдения, мм)



Реальные параметры монитора Samsung SyncMaster 15 Gle, за которым ведется разработка и тестирование программ для ПВЭМ:

яркость свечения экрана – 125  (требуется не менее 100);

минимальный размер светящейся точки – 0,27 мм (цветной монитор) (не более 0,6 мм);

контрастность изображения – 0,9 (не менее 0,8);

четкость изображения - 70  (70);

максимальное количество цветов – 256 (цветное изображение) (не менее 16);

количество знаков в строке – 800 (>64), число строк – 600 (>24);

размер экрана по диагонали – 35 см (>31 см);

высота символа на экране – 5 мм (>3,8 мм); расстояние от глаз оператора до экрана – 75 см (40-80 см);

видеомонитор оборудован поворотной площадкой, позволяющей перемещать его в горизонтальной и вертикальной плоскости и изменять угол наклона экрана.

Экран оснащен антибликерным устройством.

Таким образом, выбранный монитор соответствует требованиям ГОСТ Р 50923-96, ГОСТ Р 50948-96, СанПиН 2.2.2.542-96.



6.4 Выводы



Компьютерные технологии, являясь великим достижением человечества, могут иметь отрицательные последствия для здоровья людей. Для снижения ущерба здоровью необходимо соблюдение установленных гигиенических требований к режимам труда и организации рабочих мест. Гигиенистами и физиологами проведено множество экспериментов по изучению работоспособности, выявлению причин утомления и возникновения патологических отклонений у работающих за ПЭВМ. Результаты этих экспериментов используются при разработке оптимальных режимов работы. Выбор режима зависит от таких факторов, как длительность смены, время суток, вид деятельности, тяжесть и напряженность труда, санитарно-гигиенические условия на рабочем месте.

Данный раздел посвящен поиску путей решения проблемы влияния вредных факторов на человека. Если на рабочем месте решить такие проблемы как отсутствие или недостаток естественного света, недостаточная освещенность рабочей зоны, электрический ток, статическое электричество, зрительные нагрузки, излучение и др., тогда работоспособность человека и производительность его труда резко увеличится, а начальство в этом должно быть заинтересованно.

Вообще, современный человек находится в окружении такого количества вредных влияний, пусть даже небольшой интенсивности, что его организм, достаточно устойчивый к влиянию каждого из них в отдельности, может не выдержать их общего натиска. Поэтому медики ужесточают требования к предельно допустимым уровням таких факторов и подчеркивают важность исследования проблемы комплексного воздействия факторов малой интенсивности.

Технический уровень современных мониторов не позволяет полностью исключить существование вредных воздействий. Однако это воздействие необходимо минимизировать, регламентировав ряд параметров, для чего в 1996г. были разработаны и выпущены новые санитарные нормы, действующие и поныне. Основная цель их внедрения - облегчить адаптацию к непривычным для организма человека факторам, сохранив тем самым работоспособность и здоровье пользователей ПК.


Заключение



Основным итогом настоящей дипломной работы является разработка интернет-учебного пособия “Нелинейная теория устойчивости”, позволяющего:

наглядно, в удобном виде предоставить обучаемому необходимые знания по данной дисциплине;

осуществить самопроверку знаний обучаемого при прохождении им тестирования в конце каждой главы компьютерного учебника;

что выразилось в облегчении и упрощении труда преподавателя по формированию знаний обучаемых, а также повышения эффективности процесса обучения по данной дисциплине.

Интернет-учебное пособие предназначено для самостоятельного изучения курса, для проведения компьютерных занятий в учебном процессе и для самоподготовки обучаемых перед зачетами и экзаменами.

В результате выполнения дипломного проекта:

Разработана технология создания компьютерных учебников, содержащих специальные математические тексты;

Предложен и выполнен алгоритм перевода предложенного текста из формата TEX в соответствующий интернет-учебник;

Разработана структура теоретического модуля компьютерного учебника;

Реализованы средства навигации по компьютерному учебнику;

Разработан и использован в электронном пособии тестовый модуль.

Кроме того, проведен расчет экономической эффективности внедрения компьютерного учебника в учебный процесс, определены затраты на разработку электронного учебника и его цены, а также изучено влияние санитарно-гигиенических, эргономических и психофизиологических факторов на оператора ПЭВМ и, основываясь на государственные стандарты и санитарные нормы, рассмотрены наиболее оптимальные параметры рабочей среды для реального рабочего места.

Интернет-учебное пособие по «Нелинейной теории устойчивости» создано с использованием программного продукта TBBuilder 2, разработанного на кафедре "Математическая кибернетика" МАИ.

Данный компьютерный учебник предполагается реализовать в среде Интернет с помощью Web-технологий и разместить на WWW-сервере в Интернет.

Использование в учебном процессе нетрадиционных моделей обучения, таких как компьютерные учебники, позволяет кафедре "Математическая кибернетика" МАИ быть на передовых позициях образовательного мира.