Интерактивная составляющая электронного учебника

ИНТЕРАКТИВНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННОГО УЧЕБНИКА

Н.С. Данова, В.А. Лихачев, О.П. Пономарев

Danova N.S., Likhachyov V.A., Ponomaryov O.P. The interactive constituent of a digital textbook. In the article the problems of creating digital textbooks functioning in the on-line mode are posed. Particularly, the choice of means of working out the interactive constituent of the digital textbook including a testing system, a search system, a glossary, a system of feedback, and forum is substantiated.

Одной из наиболее актуальных задач современного образования является организация эффективного образовательного процесса на базе информационных технологий и средств телекоммуникации.

Современный учебный процесс характеризуется активным применением электронных учебников, задачников, тренажеров, справочников, энциклопедий, тестирующих и контролирующих систем и других компьютерных средств обучения (КСО) [1].

Перспективным направлением использования новых информационных технологий является компьютерное дистанционное образование (КДО). В его основе лежат возможности, предоставляемые компьютерными телекоммуникационными сетями: электронная почта, списки рассылки, телеконференции, WWW-серверы и т. д. В настоящее время наиболее перспективными инструментами являются WWW-серверы, которые, в отличие от других способов реализации КДО, позволяют регулярно актуализировать и развивать наполняющую их информацию.

Одной из форм реализации КСО стали обучающие системы, в том числе и электронные учебники, применение которых, прежде всего, обусловлено тем, что они, с одной стороны, обладают практически всеми достоинствами традиционных технических средств обучения, а с другой - позволяют реализовать принцип индивидуального подхода к каждому обучаемому и гибкую подачу материала.

Рассмотрим некоторые вопросы, которые пришлось решать разработчикам интерактивного электронного учебника информатики на базе Web-технологии [3], охватывающего весь курс и позволяющего функционально поддерживать различные типы занятий (лекции, лабораторные работы, контроль, самостоятельная работа студентов). Электронный учебник «Информатика» предназначен для студентов всех специальностей,

изучающих информатику в цикле «Общие математические и естественнонаучные дисциплины».

Основные особенности электронного учебника таковы:

• представленный в работе электронный учебник имеет 7 глав, разбитых на 37 разделов, связанных по иерархическому принципу;

• большинство тематических разделов имеют поддержку в виде лабораторных работ (25 работ);

• для каждого тематического раздела составлены контрольные вопросы;

• удобство навигации по разделам и общего обзора содержимого обеспечивается картой учебника и навигационной полосой на страницах-оглавлениях;

• оценка (равно как и самооценка) знаний учащегося по главам учебника может быть выполнена с помощью системы тестирования, имеющей базу данных для регистрации пользователей и протоколирования результатов тестирования с возможностью дальнейшего просмотра ее преподавателем (преподаватель может просмотреть предложенные вопросы и ответы студента в каждом пройденном тесте);

• на базе основных понятий, используемых в учебнике, составлен глоссарий, содержащий более 500 терминов;

• система поиска позволяет найти указанные понятия в базе данных учебника;

• в учебнике предусмотрена обратная связь с обучаемым: студент может послать преподавателю сообщение (без использования почтового ящика), описать трудности в усвоении какого-либо материала, что, при необходимости, позволит этот материал скорректировать;

• в составе учебника имеется форум, разделы которого соответствуют структурным компонентам учебника;

• учебник реализован на базе Web-технологий и не требует установки каких-либо специальных клиентских компонент, что делает его легкодоступным любому клиенту в локальной и глобальной сети;

• учебник ориентирован на использование стандартного программного обеспечения, которое имеется в большинстве учебных заведений.

Схема глав учебника показана на рис. 1.

Интерактивная составляющая учебника представлена следующими компонентами: система тестирования, глоссарий, система поиска, система для обратной связи, форум.

Каждая из этих компонент имеет свои особенности в реализации, например, системы тестирования, обратной связи, форум направлены на изменение базы данных, тогда как глоссарий и система поиска - только на чтение информации из базы данных.

Выбор используемой технологии создания электронного учебника главным образом зависит от тех условий, в которых должен работать учебник.

В настоящее время широко распространены электронные учебники, работающие в режиме «off-line». Обычно они представлены на носителях CD-ROM, DVD-ROM, определяет их быстродействие; они имеют

Рис. 1. Структура учебника

хорошее наполнение, иллюстративный (часто озвученный) материал. Например, комплекты таких учебников были переданы большинству Российских школ вместе с компьютерными классами в рамках программы Президента «Дети России».

Однако все большее распространение получают «оп-Нпе»-учебники. Это вызвано следующими причинами: мобильностью,

возможностью более оперативной обратной связи с авторами и преподавателем, возможностью внесения корректив и обновления

материала, удобством использования для дистанционного обучения.

Некоторое время назад большинство «оп-Нпе»-ресурсов представляли собой связанный набор статических страниц, написанных при помощи языка гипертекстовой разметки HTML (Hyper Text Markup Language). Однако в силу значительной функциональной ограниченности этого языка он непригоден для создания интерактивных приложений. Несмотря на наличие гиперссылок, HTML остается полностью статическим, так как эти гиперссылки вполне можно сравнить

с оператором безусловного перехода GOTO, который, как известно, имеет ряд недостатков. Основная проблема в данном случае -жестко закодированные ссылки, которые крайне трудно сопровождать. К тому же HTML не представляет возможности сохранения данных в процессе работы.

Однако развитость Web-технологий позволяет решать одни и те же задачи различными средствами. Поэтому важным является знание особенностей этих технологий, таких как типы серверов и их взаимодействие с клиентами, клиентские сценарии и приложения, серверные сценарии и приложения и др. Остановимся подробнее на тех понятиях, которые оказали влияние на выбор средств разработки интерактивной составляющей электронного учебника.

Под Web-активностью понимают возможность организации интерактивного взаимодействия с пользователем. Следует различать понятия динамики и активности. Динамика позволяет «оживить» представление информации - не более того. Это достигается за счет использования средств динамического HTML (DHTML) и внедрения в Web-страницу таких объектов, как анимированные изображения, видеоклипы, Flash-ролики и т. п. Но такие объекты не имеют средств поддержки диалога с пользователем (или арсенал таких средств крайне беден), а объем информации, передаваемой по сети, достаточно велик, что влияет на скорость загрузки страниц.

С другой стороны, активность есть набор методов и средств, которые позволяют обеспечить «подстройку» сайта под конкретного пользователя и его нужды, например, передать ему Web-страницу, содержимое которой будет отличаться от страниц, пересылаемых другим пользователям, зарегистрировать его в базе данных пользователей и т. д. Динамика и активность не исключают, а скорее дополняют друг друга.

Принято различать клиентскую и серверную активность. Первая позволяет за счет внедрения в Web-страницы сценариев и некоторых приложений поддерживать диалог с пользователем средствами Web-браузера. В этом случае диалог с пользователем ведется только на локальном компьютере, без передачи информации по сети. При серверной

активности введенные пользователем данные передаются Web-серверу, обрабатываются, и результат обработки пересылается обратно клиенту. Web-сервер, поддерживающий такой режим взаимодействия с пользователем, называется активным. Если Web-сервер не обрабатывает пользовательскую информацию, он считается пассивным. Активность на стороне клиента не исключает применения средств организации серверной активности.

Пассивный Web-сервер не может служить основой для создания интерактивных приложений в сети Интернет (в том числе приложений, ориентированных на работу с базами данных), так как он не предусматривает средств ввода и обработки запросов. Поэтому рассмотрим типичные схемы взаимодействия пользователя с активным Web-сервером.

Web-сервер - программа, выполняющаяся на хосте и обслуживающая запросы клиентов к ресурсам Web: Web-страницам и объектам, с ними связанным (различные графические изображения, элементы мультимедиа: аудио- и видеоклипы, анимация и др.). Хостом в сети называется компьютер, хранящий программы и данные, к которым могут получить доступ другие пользователи.

Схема взаимодействия пользователя с активным Web-сервером выглядит следующим образом.

1. Пользователь передает браузеру адрес URL (Uniform Resource Locator) - единообразное определение местоположения ресурса необходимой ему Web-страницы.

2. Браузер обращается к серверу за нужной страницей.

3. Страница загружается, и ее содержимое отображается на экране пользователя.

4. В процессе интерпретации страницы браузер запрашивает объекты, ссылки на которые она содержит (рисунки, аудиофайлы, видеоклипы и т. п.).

5. Запрошенные объекты передаются с сервера и отображаются браузером пользователя.

6. Пользователь вводит необходимую информацию посредством элементов пользовательского интерфейса, расположенных на текущей Web-странице.

7. Введенные данные пересылаются браузером серверу.

8. На стороне сервера исполняется серверный сценарий либо серверное приложение.

9. Результат работы приложения (сценария) пересылается браузеру.

10. Результат отображается браузером пользователя.

При необходимости, этапы 6-10 могут повторяться несколько раз - например, если введенных пользователем данных недостаточно для работы серверного сценария или требуется уточнение какого-либо параметра.

Отметим важную особенность рассмотренной в предыдущем параграфе схемы. Действия, выполняемые на этапе 8, могут быть различной степени сложности - от простой проверки информации до серьезной работы с базами данных [4]. При работе с базой данных последняя может располагаться на хосте, где функционирует Web-сервер, и управляться простой СУБД, например MS Access. Такая ситуация типична для небольших сайтов, с небольшим числом одновременно подключенных пользователей. Крупные же сайты, для которых число одновременно работающих пользователей исчисляется тысячами и десятками (а иногда и сотнями) тысяч, используют другой подход. Базы данных располагаются на других компьютерах и управляются высокопроизводительными дорогостоящими СУБД, такими как Oracle или MS SQL Server. Скрипт или приложение Web-сервера, приняв запрос клиента к базе данных, передает его серверу баз данных - при этом Web-сервер готов к обслуживанию других запросов клиентов. Сервер БД, выполнив необходимые операции с данными, передает результат обработки Web-серверу (вернее, сценарию или приложению, работающему с сервером БД), который передает необходимую информацию клиенту. Очевидно, что для клиента схема работы с БД прозрачна - он не ощущает разницы (кроме как в производительности работы) между работой с БД на Web-сервере или на специализированных серверах.

Рассмотренный подход порождает новую концепцию - так называемую, трехзвенную архитектуру клиент - Web-сервер - сервер БД (рис. 2). Но с точки зрения пользова-

теля схема работы не отличается от стандартного клиент-серверного взаимодействия, т. к. сервер БД прозрачен для пользователя.

Несмотря на то, что задачи, решаемые на стороне клиента, отличаются от задач, решаемых на Web-сервере, для эффективного решения многих задач целесообразно сочетать клиентскую активность с серверной. Например, при необходимости проверки пользовательских данных крайне желательно все проверки, которые могут быть проведены до передачи данных на сервер, выполнять на стороне клиента. Такой подход приведет к уменьшению объема трафика и увеличению производительности (меньше задержки в работе Web-сервера).

Сценарий есть программа в виде исходного модуля на некотором языке программирования высокого уровня (ЯВУ), которая исполняется в режиме интерпретации. В данном случае в качестве интерпретатора выступает Web-браузер.

Клиентские сценарии могут быть использованы для решения очень широкого спектра задач, но наиболее часто их применяют для обработки событий пользовательского интерфейса.

Приложение отличается от сценария тем, что представляет собой не исходный модуль, а исполняемый. Существуют два класса приложений, выполняемых на стороне клиента: Java-апплеты и модули ActiveX.

Серверный сценарий пишется на специализированном языке программирования и помещается в виде отдельного файла на Web-сервере, в том каталоге, откуда при настройке сервера разрешен запуск сценариев. После того как на Web-странице произойдет событие (например, нажатие кнопки), эта

информация передается серверу и обрабатывается сценарием. По завершению работы сценария пользователю возвращаются результаты обработки.

Технология активных серверных страниц (ASP - Active Server Pages) была предложена сравнительно недавно специалистами компании Microsoft и завоевала широкую популярность, благодаря своей простоте, логичности и удобству применения. Среди ее особенностей можно отметить следующие.

1. Активная страница представляет собой Web-страницу со встроенными в текст сценариями, интерпретируемыми сервером.

2. В зависимости от работы сценария, клиенту передается тот или иной документ, который может содержать теги HTML, рас-

положенные на данной активной странице, либо сформированный самим сценарием.

4. Имеется набор объектов, содержащих свойства и методы, очень удобные для использования на стороне сервера.

5. Технология ASP удачно сочетается с другой технологией от Microsoft - ADO (ActiveX Data Objects), что позволяет за короткий срок создавать сложные Интернет-приложения с базами данных.

Технология ASP платформонезависима. Работа сценария происходит на стороне сервера, а пользователю сообщается только ее результат в виде интерпретируемого HTML-кода.

Браузер сервера отправляет на сервер адрес URL активной серверной страницы

Активаная серверная страница выбирает существующий НТМЬ-документ или создает новый

Web-браузер отображает в окне принятый HTML-документ

Web-сервер отправляет браузеру выбранный или созданный документ HTML

Рис. 2. Взаимодействие активного Web-сервера с браузером

Серверные сценарии - инструмент удобный, но имеющий следующий недостаток: интерпретация всегда выполняется медленнее, чем выполнение загрузочного модуля. При большом числе подключений Web-сервер тратит значительное время на выполнение сценариев, замедляя, тем самым, работу пользователей.

Возможное простое решение - решать те же задачи, что и сценарии, но не с помощью исходных модулей, а посредством предварительно откомпилированных программ. В данном случае мы остановились на использовании технологии ASP для создания интерактивной составляющей электронного учебника. Помимо изложенных особенностей, наш выбор обусловлен широким применени-

ем Web-серверов на базе операционной системы Windows 2000/2003 Server, которая включает в себя простую в настройке и эксплуатации службу IIS (Internet Information Service). Важно и то, что применение Windows-платформ распространено в образовательных учреждениях. Помимо этого, мы выбрали СУБД Access для хранения необходимых данных. СУБД Access является также продуктом компании Microsoft, что позволяет достичь более высокого уровня интеграции средств, используемых для создания учебника. К тому же, в данном случае количество записей в БД не настолько велико, чтобы использовать более мощные СУБД.

Отметим, что выбранные нами средства разработки допускают вариации в использовании операционной системы сервера. Так, для работы службы IIS, в принципе, не обязательно использовать серверную операционную систему. Эта служба поставляется в составе пользовательских операционных систем Windows 2000 Professional и Windows XP Professional, однако в них существует ограничение на количество одновременных подключений (до десяти). Эта возможность является важным моментом, который позволяет использовать представленный учебник в небольших учебных заведениях, где нет выделенного Web-сервера, например, в школах.

В качестве примера кратко рассмотрим особенности реализации интерактивных компонент учебника.

Важнейшей интерактивной составляющей учебника является система тестирования. Доступ к системе тестирования учебника можно получить как из конкретной главы учебника, так из специализированного раздела «Тестирование».

Хранение информации для тестирования и результатов тестирования осуществляется с помощью базы данных. База данных системы тестирования (БД системы тестирования) служит для хранения следующих данных: тестовых заданий, дистракторов, правильных

ответов на вопросы, регистрационных данных пользователя, информации о прохождении тестов пользователями (протоколирование результатов).

Банк тестовых заданий хранится в семи однотипных по структуре таблицах (соответствующих главам). Основные поля этих таблиц содержат текст вопроса, варианты ответов, номер правильного ответа. При необходимости использования графических изображений в вопросах к тексту в этой таблице базы данных можно определить одно или несколько полей для ссылки на графический файл или использовать специальный загрузчик изображений для помещения рисунка в поле БД.

Система тестирования, реализованная в учебнике, позволяет производить регистрацию пользователей в БД с последующим занесением результатов по каждому из пройденных тестов. Это позволяет проследить динамику результатов пользователя по каждому тесту.

Для регистрации пользователя служит файл «registratюn.asp». Он содержит форму для заполнения. С целью сделать регистрацию максимально быстрой и простой, были введены 4 поля («Фамилия», «Имя», «Группа», «Пароль»). Кроме того, файл регистрации используется для передачи данных о названии теста файлу, регистрирующему пользователя на сервере через скрытое поле формы.

Поле «Группа» не является обязательным для заполнения, остальные же поля подлежат проверке на введенные значения.

При ошибке в заполнении пользователю выводится сообщение с указанием названия поля, которое он не заполнил.

После заполнения обязательных полей и проверки наличия в БД системы тестирования аналогичной записи, в таблицу, содержащую сведения о пользователях, добавляется запись о новом зарегистрированном пользователе.

На заключительной стадии регистрации пользователю представляются полученные от него данные, занесенные в таблицу БД системы тестирования, и дается рекомендация по их сохранению.

Файл регистрации содержит форму для ввода фамилии, имени, номера группы и па-

роля пользователя, т. е. является частью аутентификационной подсистемы.

Полученные при регистрации данные подлежат проверке, т. е. сличению с имеющимися в БД сведениями о студенте каждый раз при его входе в систему тестирования. Для этого, после запроса переданных данных, происходит поиск соответствующей записи в таблице: если такая запись найдена, то на сервере записываются некоторые данные о пользователе (с помощью метода ASP «Session»), которые не уничтожаются при переходе пользователя с одной страницы приложения на другую и сохраняются на протяжении всего сеанса пользователя.

Система тестирования генерирует номер вопроса, выводит его и варианты ответа пользователю на экран, протоколирует результаты. На экран выводится фамилия и имя пользователя, что позволяет при необходимости осуществлять визуальный контроль за проходящими тестирование студентами. Кроме того, выводится название темы, по которой проводится тестирование. В момент записи результатов теста автоматически фиксируется дата и время прохождения тестирования.

Исходя из того, что после прохождения теста очень часто необходимо иметь возможность видеть, помимо общих результатов теста, детализированный протокол ответов, мы предусмотрели запись номеров вопросов, которые были случайным образом выбраны из БД для пользователя, а также сам ответ, который он дал. Эта информация фиксируется в момент окончания теста в таблице «RESULTS». Таким образом, собранные данные позволяют полностью восстановить тестовые задания, сгенерированные для пользователя и увидеть правильные ответы и ответы, данные пользователем.

В протоколе результатов тестирования содержатся следующие данные:

♦ данные пользователя (фамилия, имя,

группа);

♦ данные о прохождении тестов (на-

звание теста, количество прохождений);

♦ дата и время прохождения теста;

♦ набранные баллы;

♦ протокол заданных вопросов, отве-

тов и сопоставление ответа пользователя с правильным ответом.

Сами тесты могут применяться не только для итогового, но и для текущего контроля (самоконтроля), т. е. получения оперативной оценки успешности освоения учебного материала, выявления пробелов в знаниях. Тесты не имеют ограничение по времени, т. е. осуществляется «мягкий» контроль. Это создает более приятные и психологически комфортные условия при прохождении тестирования.

Следует заметить, что авторы учебника уделили основное внимание организации интерактивного взаимодействия тестируемого с системой тестирования. Сами тестовые задания предусматривают только одну форму диалога с пользователем - закрытую. В настоящее время рекомендуется использовать пять стандартизованных форм тестовых заданий [2]:

♦ закрытую (с выбором одного или нескольких заключений);

♦ открытую, предполагающую вставку фрагментов текста;

♦ на установление правильной последовательности;

♦ на установление соответствия;

♦ конструирование.

Кроме того, банки тестовых заданий, предназначенные для проведения экзаменов или для оценки работы вуза, должны быть соответствующим образом сертифицированы.

Тестовые задания в разработанном электронном учебнике предназначены, в основном, для самоконтроля обучаемого или для текущего контроля со стороны преподавателя. Вместе с тем, авторы учебника предполагают совершенствовать систему тестирования и по содержанию и по форме тестовых заданий.

Следующая интерактивная компонента -глоссарий. Его реализация также основана на использовании БД. В таблице базы имеются поля, предназначенные для самого термина, его определения, а также ссылки на смежные определения. Таким образом, глоссарий имеет структуру графа и позволяет получить представление не только о самом термине, но и о связанных с ним понятиях. Глоссарий содержит более полутысячи терминов, при необходимости, может быть легко дополнен.

Доступ к терминам глоссария организован во фреймовой структуре. В главной странице фрейма определены 3 фрейма. В

первом из них в алфавитном порядке выводятся буквы, с которых начинаются представленные термины. После выбора буквы результат передается серверу, он по запросу выдает термины, начинающиеся с этой буквы, обновляется второй фрейм, и все найденные понятия помещаются в него. Теперь пользователь должен выбрать термин, который его интересует. Результатом будет отображение его определения и смежных понятий со ссылками на них в третьем фрейме. Вышеописанная последовательность действий позволяет довольно хорошо представить сущность активных серверных сценариев. За каждым из запросов пользователя кроются выборки из БД на языке SQL, но все это абсолютно прозрачно для пользователя, ему лишь необходимо щелкнуть мышкой по нужной ссылке.

На базе глоссария функционирует система поиска, которая предоставляет возможность выполнять полнотекстовый поиск определений. Найденные слова выделяются цветом, что облегчает восприятие результатов поиска.

В интерактивную часть учебника включен форум. Он предназначен для обсуждения различного рода тем, связанных с главами

учебника. Создавать темы и отвечать в форуме могут зарегистрированные пользователи. Следует заметить, что аутентификационные данные пользователей системы тестирования и форума различны, так как участие в

обсуждении тем форума вовсе не обязательно предполагает прохождение тестирования. В каждом разделе форума имеется модератор, т. е. лицо, которое имеет административные полномочия применительно ко всем темам и сообщениям (может, при необходимости, корректировать, удалять, темы и сообщения, или вовсе закрывать темы). Для нескольких разделов может быть один модератор.

Изложенная концепция с использованием технологии ASP и СУБД Access реализована при разработке и других интерактивных составляющих компонентов электронного учебника. Такой подход позволяет создать активную систему передачи знаний студентам.

1. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. М., 2003.

2. Васильев В.И., Киринюк А.А., Тягунова Т.Н. Требования к программно-дидактическим тестовым материалам и технологиям компьютерного тестирования. М., 2005.

3. Пономарев О.П., Данова Н.С., Лихачев В.А. Информатика. Электронный учебник для студентов вузов. http://www.bsu.edu.ru:8801/ projects/inf, 2003 г.

4. Фролов А.В., Фролов Г.В. Базы данных в Интернете: практическое руководство по созданию Web-приложений с базами данных. Изд. 2-е, испр. М., 2000.

Поступила в редакцию 13.03.2006.