Проектирование базы данных для информационой системы контроля и оценивания результатов образования

А.С. Платонова

ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАЗЫ ДАННЫХ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И ОЦЕНИВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ОБРАЗОВАНИЯ

Статья посвящена проектированию базы данных, предназначенной для упорядоченного хранения психолого-педагогической информации, полученной по итогам контроля и оценивания результатов образования: учебного и контрольно-измерительного материалов, ответов обучаемых, записей учителей и различного рода служебной информации. Проектирование структуры хранения информации осуществлено на уровнях концептуального, логического и физического проектирования баз данных, в результате построен комплекс взаимосвязанных моделей базы данных.

Ключевые слова: контроль и оценка результатов образования, хранение психолого-педагогической информации, база данных, семантическая модель, даталогическая модель, MySQL, физическая модель.

Проектирование базы данных (БД) осуществляется в рамках разработки информационной системы (ИС) контроля и оценки результатов образования (на примере среднего образования). Совершенствование, или по крайней мере дополнение, традиционных средств контрольно-оценочной деятельности в школе на сегодняшний момент является весьма актуальной задачей1. ИС предназначена для осуществления автоматизированной контрольно-оценочной деятельности (КОД) в школе и обеспечивает ввод, хранение, обработку и представление информации об образовательных результатах учащихся.

Разрабатываемая система отличается тем, что осуществляет автоматизированный контроль предметных знаний и умений школьников на различных уровнях усвоения учебного материала,

© Платонова А.С., 2012

А.С. Платонова

надпредметных умений и навыков, а также характеристик личностного развития и воспитанности. Кроме того, по итогам контроля система предоставляет не просто итоговые баллы, а, во-первых, интегративную оценку достигнутого уровня результатов образования любого из учащихся, представляющую собой подробную психолого-педагогическую характеристику школьника; во-вторых, различного рода статистическую информацию по отдельному ученику, классу, параллели в виде таблиц и графиков, предназначенную главным образом для администрации школы2. Наполнение интегративной оценки зависит от того, какой пользователь запросил ее формирование: ученик и родитель или учитель и психолог3.

Перед проектированием БД нами были реализованы все этапы создания информационных систем, в том числе разработаны архитектура, в основе которой лежит трехзвенная архитектура клиент-сервер, и функциональная модель ИС, построенная с использованием графических нотаций IDEF0 и DFD4. Это позволило перейти к проектированию БД с целью реализации упорядоченного хранения всей необходимой информации, возможности получения данных по запросам, сокращения избыточности и дублирования данных, обеспечения целостности данных. В ходе проектирования базы данных реализованы этапы концептуального, логического и физического проектирования. В результате построен комплекс взаимосвязанных моделей БД.

В статье рассказывается о разработке части базы данных, предназначенной для хранения информации, связанной с контролем умения учащихся решать задачи по физике. Ученик в режиме диалога с компьютером выполняет контрольную работу, состоящую из задач различного уровня сложности. Решение задачи заключается в выполнении ряда этапов, начиная с записи краткого условия и заканчивая вводом ответа. Выполнение каждого из этапов представляет собой решение тестового задания с выбором одного варианта из нескольких предложенных.

В рамках проектирования БД на концептуальном уровне построена семантическая (инфологическая) модель «сущность-связь». Она представляет собой набор концепций, которые описывают структуру базы данных и связанные с ней транзакции обновления и извлечения данных. Модель «сущность-связь» наиболее известный представитель класса семантических моделей предметной области. Основными преимуществами моделей «сущность-связь» является наглядность, возможность проектирования базы данных с большим количеством объектов и атрибутов, реализо-

Проектирование базы данных для информационой системы контроля...

Рис.1. Фрагмент семантической модели БД

ванность во многих системах автоматизированного проектирования баз данных. Способ графического представления такой модели - графическая диаграмма ЕЙ. Построение диаграммы ЕЙ осуществлено с помощью графической нотации Баркера. Основными элементами ЕИ-моделей являются:

- сущность, являющаяся классом однотипных объектов, информация о которых должна быть учтена в модели и имеющая наименование, выраженное существительным в единственном числе;

- экземпляр сущности как конкретный представитель данной сущности;

- ключ сущности - неизбыточный набор атрибутов, значения которых в совокупности являются уникальными для каждого экземпляра сущности;

- атрибуты сущностей - характеристика, являющаяся некоторым свойством сущности и имеющая наименование, выраженное существительным в единственном числе;

- связь - ассоциация между двумя сущностями, позволяет по одной сущности находить другие сущности, связанные с нею5.

Фрагмент семантической модели БД представлен на рис. 1.

При разработке ЕИ-модели нами выделены информационные сущности предметной области, атрибуты сущностей, взаимосвязи между сущностями. Основными сущностями базы данных являются:

А.С. Платонова

- сущность «Задача»; характеризуется атрибутами: краткое условие, перевод в СИ, процесс, график, формулы, конечная формула, результат. Данная сущность связана с сущностью «Решение задачи»;

- сущность «Этап»; характеризуется атрибутами: название, балл. Данная сущность связана с сущностью «Решение этапа»;

- сущность «Контрольная работа»; характеризуется атрибутами: имя, количество задач, раздел. Данная сущность связана с сущностями «Решение контрольной работы»;

- сущность «Решение этапа»; характеризуется атрибутом: балл. Данная сущность связана с сущностями «Решение задачи» и «Этап задачи»;

- сущность «Решение задачи»; характеризуется атрибутами: дата, время, балл. Данная сущность связана с сущностями «Решение этапа», «Решение контрольной работы»;

- сущность «Решение контрольной работы»; характеризуется атрибутами: дата, время, балл. Данная сущность связана с сущностями «Контрольная работа», «Решение задачи».

По данной концептуальной схеме построена даталогическая диаграмма, которая будет учитывать такие особенности СУБД, как допустимые типы и наименования полей, таблиц.

Для построения даталогической модели из модели «сущность-связь» нами учитывались следующие правила:

1) каждая сущность превращалась в таблицу;

2) каждый атрибут сущности становился столбцом таблицы;

3) компоненты ключа сущности превращались в первичный ключ таблицы;

4) для отображения связи «один ко многим» («многие к одному») делалась копия ключевого атрибута (атрибутов) с конца связи «один», соответствующие столбцы составляли внешний ключ;

5) связи «многие ко многим» разбивались путем формирования трех отношений, по одному для каждой сущности, и третье, имеющее составной ключ, построенный из ключей первых двух;

6) указывались типы полей таблиц.

Даталогическая модель построена на основе реляционной модели данных. Существуют и другие типы моделей данных: иерархические, сетевые. Но на сегодняшний день реляционные модели данных наиболее распространены, хотя и обладают рядом недостатков. В реляционной модели достигается гораздо более высокий уровень абстракции данных, чем в иерархической или сетевой, описываются данные на основе только их естественной структуры,

Проектирование базы данных для информационой системы контроля...

Справочник кратких условий

Справочник формул

Справочник графиков

Номер краткого условия

Краткое условие

о—

Номер формулы

Формула

Справочник конечных формул

Номер конечных формул

Формула

х

I

¥

I

1-Г 1-0

Справочник перевода величин в систему СИ

Номер перевода в систему СИ

Перевод в систему СИ

Справочник этапов

Номер этапа

Название

Решение этапа

Номер решения этапа

Балл

Номер этапа

Номер графика

График

Справочник результатов решения

Номер результата решения

Результат решения

Справочник физических процессов

Номер физического процесса

Правильность

Справочник з^ач_^ ^^

Номер задачи

Условие

Номер перевода в систему СИ

Справочник контрольных работ

Номер контрольной работы

Название

Решение задачи

Номер решения задачи

Дата

Номер задачи

Номер решения контрольной работы

Решение контрольной работы

о----«

Номер решения контрольной работы

Дата

Номер контрольной работы

Рис. 2. Фрагмент даталогической модели БД

т. е. нет потребности введения какой-либо дополнительной структуры для целей машинного представления6.

На рис. 2 представлен фрагмент даталогической модели БД.

А.С. Платонова

Созданы следующие таблицы базы данных (табл. 1-14).

Таблица 1

Справочник кратких условий

Код Наименование Идентификатор Тип поля Размер

* Номер краткого условия Номер Счетчик Целое

Краткое условие Краткое условие Текстовый 255

Правильность Правильность Числовой Целое

Номер задачи Номер задача Числовой Целое

Справочник формул Таблица 2

Код Наименование Идентификатор Тип поля Размер

* Номер формулы Номер Счетчик Целое

Формула Формула Текстовый 255

Правильность Правильность Числовой Целое

Номер задачи Номер задача Числовой Целое

Справочник графиков Таблица 3

Код Наименование Идентификатор Тип поля Размер

* Номер графика Номер Счетчик Целое

График График Текстовый 255

Правильность Правильность Числовой Целое

Номер задачи Номер задача Числовой Целое

Справочник конечных формул Таблица 4

Код Наименование Идентификатор Тип поля Размер

* Номер конечной формулы Номер Счетчик Целое

Формула Конечная формула Текстовый 255

Правильность Правильность Числовой Целое

Номер задачи Номер задача Числовой Целое

Проектирование базы данных для информационой системы контроля.

Таблица 5

Справочник переводов в СИ

Код Наименование Идентификатор Тип поля Размер

* Номер перевода в СИ Номер Счетчик Целое

Перевод в СИ Перевод в СИ Текстовый 255

Правильность Правильность Числовой Целое

Номер задачи Номер задача Числовой Целое

Справочник кратких условий Таблица 6

Код Наименование Идентификатор Тип поля Размер

* Номер краткого условия Номер Счетчик Целое

Краткое условие Краткое условие Текстовый 255

Правильность Правильность Числовой Целое

Номер задачи Номер задача Числовой Целое

Справочник процессов Таблица 7

Код Наименование Идентификатор Тип поля Размер

* Номер процесса Номер Счетчик Целое

Физический процесс Процесс Текстовый 255

Правильность Правильность Числовой Целое

Номер задачи Номер задача Числовой Целое

Справочник результатов Таблица 8

Код Наименование Идентификатор Тип поля Размер

* Номер результата Номер Счетчик Целое

Результат Результат Числовой Дробное

Правильность Правильность Числовой Целое

Номер задачи Номер задача Числовой Целое

А.С. Платонова

Таблица 9

Справочник этапов

Код Наименование Идентификатор Тип поля Размер

* Номер этапа Номер Счетчик Целое

Название Название Текстовый 50

Балл Балл Числовой Дробное

Справочник задач Таблица 10

Код Наименование Идентификатор Тип поля Размер

* Номер задачи Номер Счетчик Целое

Условие Условие Текстовый 255

Вес Вес Числовой Дробное

Балл Балл Числовой Дробное

Номер краткого условия Номер краткое условие Числовой Целое

Номер перевода в СИ Номер перевод в СИ Числовой Целое

Номер процесса Номер процесс Числовой Целое

Номер графика Номер график Числовой Целое

Номер формулы Номер формула Числовой Целое

Номер конечной формулы Номер конечная формула Числовой Целое

Номер результата Номер_результат Числовой Целое

Таблица 11 Справочник контрольных работ

Код Наименование Идентификатор Тип поля Размер

* Номер контрольной работы Название Номер Название Счетчик Текстовый Целое 50

Количество задач Количество задач Числовой Целое

Номер раздела Номер_раздел Числовой Целое

Проектирование базы данных для информационой системы контроля.

Таблица 12

Решение этапа

Код Наименование Идентификатор Тип поля Размер

* Номер решения этапа Номер Счетчик Целое

Балл Балл Числовой Дробное

Номер решения задачи Номер_решение задачи Числовой Целое

Решение задачи Таблица 13

Код Наименование Идентификатор Тип поля Размер

* Номер решения задачи Номер Счетчик Целое

Балл Балл Числовой Дробное

Дата Дата Дата

Время Время Время

Номер решения контрольной работы Номер_решение контрольной работы Числовой Целое

Таблица 14 Решение контрольной работы

Код Наименование Идентификатор Тип поля Размер

* Номер решения контрольной работы Номер Счетчик Целое

Балл Балл Числовой Дробное

Дата Дата Дата

Время Время Время

Номер контрольной работы Номер контрольная работа Числовой Целое

Номер решения задачи Номер_решение задачи Числовой Целое

to to о

formula

id INT(11)_

formula VARCHARO 55) right TINYINT

vivod formul

id INTO!)

vivod VARCHAR

rezultat

id INT(ll)_

rezultat VARCHAR

spr zadach

idZadachi INT

zadacha VARCHAR(255) ves FLOAT max_ball FLOAT

resh zadach

idresh zadach INT

spr_zadach_idZadachi INT(FK) date DATE time INT

resh_kontr_rab_idresh_kontr_rab INT(FK] sum_ball FLOAT

vipoln kontr rab

idvipoln_kontr_rab INT

date DATE time INT sum_ball FLOAT

spr_kontr_rab_idspr_kontr_rab INT

>

О

Я

й su

H

о M о

process

id INT01)

process VARCHAR

spr_zadach_idZadachi INTO 1)

uslovie zadach

id INTQ1)

uslovie VARCHAR

spr_zadach_idZadachi INT

kontr rab razdel

idkontr_rab_razdel INT

spr_kontr_rab_idspr_kontr_rab INT

perevod si

id INT01) perevod VARCHARO 00) right TINYINT

spr_zadach_idZadachi INT

resh etap zad

idresh_etap_zad INT ball VARCHAR

grafik

id INT01 ) linkVARCHAR

spr_zadach_idZadachi INTO 1)

spr etap zadach

idspr etap INT

nazv_etap LONGTEXT max_ball FLOAT

spr kontr rab

idspr_kontr_rab INT nameVARCHAR(45) count INT

Puc. 3. Фрагмент физической модели БД

Проектирование базы данных для информационой системы контроля...

Физическая модель БД построена в СУБД MySQL. MySQL -это реляционная система управления базами данных и является наиболее приспособленной для применения в среде web. То есть данные в ее базах хранятся в виде логически связанных между собой таблиц, доступ к которым осуществляется с помощью языка запросов SQL. MySQL - свободно распространяемая система, платить за ее применение не нужно. Кроме того, это достаточно быстрая, надежная и, главное, простая в использовании СУБД, вполне подходящая для не слишком глобальных проектов7. Работать с MySQL можно не только в текстовом режиме, но и в графическом. Для моделирования таблиц базы данных и связей между ними использовалась среда MySQLWorkbench. Программа генерирует скрипт для создания таблиц в СУБД MySQL.

Здесь уточнены типы атрибутов согласно выбранной СУБД. Все сущности и их атрибуты записаны с помощью букв латинского алфавита. Индексные поля автоматически создаются по ключевым полям. Фрагмент физической модели БД в среде MySQLWorkbench представлен на рис. 3.

Таким образом, база данных, спроектированная на концептуальном, логическом и физическом уровнях, позволяет организовать упорядоченное хранение учебного, контрольно-измерительного материалов, ответов учащихся, записей учителей, служебной информации, необходимой для функционирования приложений, и перейти непосредственно к разработке процедур ввода информации от пользователей системы, алгоритмов обработки результатов контроля, хранящихся в БД, алгоритмов предоставления участникам КОД полученной информации в виде интегративной оценки достигнутого уровня результатов образования любого из учащегося или графиков и таблиц со статистической информацией об отдельном ученике, классе или параллели.

Примечания

1 См.: Платонова А.С., Рыжкова М.Н. Совершенствование методологии и методи-

ки оценивания учебных достижений учащихся // Системный анализ в науке и образовании: Электрон. науч. журнал. № 3 [Электронный ресурс]. [Дубна, 2010]. URL: http://www.sanse.ru/archive/17 (дата обращения 21.08.2011).

2 См.: Платонова А.С. Информационное обеспечение педагогической иннова-

ции при усвоении курса физики // Инновации в образовании. 2011. № 2. С. 48-64.

А.С. Платонова

3 См.: Платонова А.С. О создании информационной системы контроля и оценки

результатов школьного образования // Информационные технологии и информационная безопасность в науке, технике и образовании «ИНФОТЕХ-2011»: Материалы Междунар. науч.-тех. конф. Севастополь (Украина), 5-10 сент. 2011 г. Севастополь: СевНТУ, 2011. С. 232.

4 См.: Платонова А.С., Самохин А.В. Проектирование информационной системы

контроля и оценки образовательной деятельности учащихся: архитектура, модель и структура базы данных // Информационные системы и технологии. Орел: Орловский ГТУ, 2011. № 3 (65). С. 13-21.

5 См.: Пушников А.Ю. Введение в системы управления базами данных. Ч. 1. Реля-

ционная модель данных [Электронный ресурс]: Учеб. пособие. Уфа: Башкир. ун-т, 1999. 108 с. URL: http://citforum.ru/database/dbleam/dbleam08.shtml (дата обращения: 09.09.2011).

6 Информационные технологии / О.Л. Голицына, Н.В. Максимов и др. М.: Инфра-М,

2009. С. 269.

7 См.: Базы данных: основные понятия [Электронный ресурс]. URL: http://

www.webmasterwiki.ru/MySQL (дата обращения 21.08.2011).