Разработка концепции информационной системы “обучение дисциплинам направления 11.03.02 иктсс” и её мобильного приложения для ос android

В современном мире, особенно в периоды воздействия на общество неблагоприятных факторов внешней среды, актуальна тема реализации учебных программ с применением дистанционных образовательных технологий. Этот факт продемонстрировала ситуация 2020 года, когда впервые в современной отечественной педагогической практике для всех форм общего и профессионального образования основная часть обучения проходила дистанционно.

После резкого массового перехода на дистанционное обучение увеличилось число сообщений пользователей разнообразных образовательных информационных систем о затруднениях, возникающих в процессе эксплуатации.

Как было рассмотрено в [1], студенты – пользователи Электронной информационно-образовательной среды СибГУТИ (далее по тексту – ЭИОС) испытывают сложности с навигацией по данной системе из-за перегруженности интерфейса и отсутствия адаптации для мобильных устройств. Также в работе обозначена проблема частой длительной недоступности системы. В связи с этим автор предлагает решение в виде мобильного приложения для ОС Android, предназначенного для удобного поиска и автономной демонстрации учебных материалов. Автор предлагает интегрировать приложение в ЭИОС.

На этапе интеграции возникает задача доставки и представления существующих электронных учебных материалов в форме, адаптированной к размерам дисплеев мобильных устройств. Сложность заключается в том, что формат электронных документов в ЭИОС не унифицирован: информация содержится в файлах разнообразных форматов. Следствием проблемы является сложность разработки программного обеспечения, способного обработать и отобразить все возможные текстовые и мультимедийные форматы информации.

Автором была выдвинута гипотеза о том, что существует возможность унификации машиночитаемого представления информации об учебных материалах ЭИОС. Применение подобного представления позволит разработать API (англ. application programming interface – программный интерфейс приложения) для внешних систем. При наличии API можно будет с учетом интересов авторов учебных материалов построить пригодную к интеграции в ЭИОС информационную систему, способную упростить использование в мобильном приложении единообразно представленных электронных учебных пособий.

С целью разработать концепцию информационной системы (далее – ИС) хранения и доставки учебных материалов и для составления списка технических требований к ней, автором была изучена документация API успешно функционирующих ИС: Google AdWords [2], Ян-декс.Директ [3], система межведомственного электронного документооборота (СМЭВ 2 и СМЭВ 3) [4] и др.

Для проведения интеграции необходимо, чтобы проектируемая информационная система обладала следующими свойствами:

• 1.    Разделение контента (полезной информационной нагрузки) и логики (программного кода) для обеспечения масштабируемости – должна отсутствовать необходимость вносить изменения в исходный код при добавлении контента.

• 2.    Наличие формальной схемы машиночитаемого описания учебных материалов. Выражается в существовании единообразной метаинформации для каждого объекта контента.

• 3.    Пригодность к использованию совместно со стандартными протоколами прикладного уровня. Подразумевает сериализуемость метаданных о контенте.

Основой строения изученных ИС являются веб-технологии. Одной из базовых технологий Web 2.0 по-прежнему остаётся протокол SOAP (англ. Simple Object Access Protocol – простой протокол доступа к объектам) [5]. Многие системы поддерживают его для межсистемной и обратной совместимости.

Полученные в результате исследования сведения вдохновили автора на разработку концепции архитектуры ИС на основе метафинфор-мации о связанных друг с другом посредством универсальных уникальных идентификаторов (англ. UUID – universally unique identifier) файлов с мультимедийным содержанием, адаптированным под различные размеры дисплеев мобильных устройств.

Для определения бизнес-требований к ИС автором были рассмотрены свойства мобильного приложения, разрабатываемого для ЭИОС.

При запуске приложения пользователю представляется главное меню, содержащее кнопки с названиями доступных в приложении учебных предметов, кнопку, открывающую экран с информацией о программе, её авторе и авторах учебных материалов, а также кнопку "Настройки".

Состав главного меню изменяется в зависимости от выбранного пользователем в настройках семестра – помимо кнопок "О программе" и "Настройки" будут отображаться кнопки дисциплин соответствующего семестра. Для просмотра дисциплины из другого семестра пользователю необходимо предварительно открыть настройки и изменить выбор семестра. Также предусмотрен вариант вывода на экран всех загруженных в приложение учебных предметов, без фильтрации по периоду обучения.

После нажатия на кнопку интересующего предмета приложение отображает экран выбора раздела — по типу учебного материала: теория, тестирование, примеры решения типовых задач, и т.д. После выбора раздела пользователю предоставляется выбор темы.

В результате изучения разделов меню программы была составлена схема последовательности переходов пользователя между экранами мобильного приложения (рисунок 1).

На рисунке 2 представлены планируемые для реализации после ввода в эксплуатацию ИС возможности мобильного приложения, расширяющие потенциал ЭИОС/

На основе описанного функционала ИС был построен следующий алгоритм начала работы с приложением. Мобильное приложение после установки загружает с сервера ЭИОС файл, содержащий сведения о подготовленных наборах учебных материалов. Приложение считывает и предоставляет пользователю информацию из файла в удобочитаемом виде в графическом интерфейсе. Пользователь с помощью простого фильтра выбирает интересующие его материалы и скачивает их. Предусмотрена возможность загрузки заранее сформированных (простым перечислением идентификаторов) наборов материалов для конкретных группы, потока, направления и т.д.

Рисунок 1 – Схема переходов пользователя мобильного приложения . Переходы изображены линиями со стрелками

Рисунок 2 – Диаграмма прецедентов интегрируемой ИС

Помимо отображения мультимедийного контента приложение способно проводить тестирование – для составления тестов также разрабатывается стандартный формат описания, в том числе опция отправки отчета о прохождении.

Единообразие описания контента достигается записью метаинформации по единой схеме в одном из стандартных текстовых форматов сериализации. В связи с продолжающимся развитием формата метаданных, в выборе между JSON и XML на текущем этапе развития было отдано предпочтение более гибкому, ориентированному на разметку XML. После реализации стабильной версии ИС планируется переход на менее ресурсоёмкий JSON.

Схема переходов, изображенная на рисунке 1, отражает алгоритм обращения потенциального пользователя ИС к программным сущностям, связанным с систематизацией контента. Можно отметить, что в отношениях сущностей преобладает тип связи один-ко-многим. Например, тип "лекции" какой-либо дисциплины может включать в себя несколько тем, а дисциплина, в свою очередь, может включать в себя помимо "лекций" также "задачи", и "экзаменационные билеты". Заметна иерархия. Поэтому схема легла в основу логической структуры метаданных контента ИС. Базовый формат этой структуры наглядно представлен на рисунке 3. В одну сущность, представляющую собой одну учебную дисциплину, включаются одна или несколько сущностей типов учебных материалов: лекции, примеры решения лабораторных работ, задачи и т. д.

Все разработанные на текущий момент сущности и их параметры перечислены и описаны в таблице 1.

Концепция ИС предусматривает возможность частичного полиморфизма сущности "тема". Это реализовано выносом в самостоятельный файл технической информации о мультимедийном контенте конкретных тем. Отдельно представлены число слайдов, контрольная сумма, а также наименование темы по-умолчанию. Вместе с themeUUID эти параметры составляют обособленную часть метаданных сущности "тема". Структура описания темы наглядно показана на рисунке 5. Составитель машиночитаемого описания дисциплины в опциональной части описания темы может указать параметр themeName и задать для него желаемое значение наименования темы, переопределив таким образом значение параметра themeNameDefault. Это позволяет использовать одну общую тему и все её файлы в разных дисциплинах. Связь записей в файле описания дисциплины и файле описания тем осуществляется по идентичному значению themeUUID.

Рисунок 3 – Схема базовой структуры описания дисциплины

Таблица 1 – Сущности и параметры разработанной схемы метаданных

SUBJECT	Корневой элемент схемы, сущность "Дисциплина"
PROPERTIES	Раздел параметров родительской сущности
CONTENT	Раздел содержимого родительской сущности
OPTIONS	Раздел опциональных (необязательных) параметров
description	Параметр описания родительской сущности
checksum	Параметр контрольной суммы родительской сущности
subjectName	Параметр наименования сущности "Дисциплина"
subjectUUID	Параметр  UUID  экземпляра сущности "Дисциплина"
TYPE	Раздел описания сущности "Тип (учебного материала)"
typeName	Параметр наименования сущности "Тип"
THEME	Раздел  описания  сущности "Тема"
themeName	Параметр наименования сущности "Тема"
themeUUID	Параметр  UUID  экземпляра сущности "Тема"
testUUID	Параметр  UUID  экземпляра сущности "тест"

На рисунке 4 схематично отображены связи сущностей ИС. Перечень неокончательный – разработка ИС продолжается. Сущности представлены овалами, их содержимое и параметры – прямоугольниками.

На данный момент реализованы базовая версия формата метаописания, позволяющая определить свойства учебных материалов, уже содержащиеся в ЭИОС, а также мобильное приложение для ОС Android, способное загружать файлы ИС и отображать всю определенную в формате информацию, в том числе тесты. Контент каждой темы располагается в каталоге с соответствующим UUID в наименовании. Файлы с мультимедийным материалом и файлы с метаданными совместно упаковываются в транспортные контейнеры – zip-архивы определенной структуры.

Сетевое взаимодействие планируется реализовать по классической схеме клиент-сервер (рисунок 6). До осуществления интеграции разрабатываемой ИС в структуру ЭИОС роль вебсервиса выполняет облачный файлообменный ресурс, отдающий файлы по GET-запросу.

В процессе исследования были изучены методы унификации представления информации и разработана концепция информационной системы, способной представлять материалы ЭИОС в удобной для мобильных устройств форме. Так была подтверждена выдвинутая гипотеза.

Достоинства системы:

• -    Надёжность (за счёт отсутствия риска потери с сервера информации о состоянии приложения ввиду отсутствия необходимости хранить её)

• -    Простота наполнения контентом (достаточно добавить к пособиям метаинформацию и присвоить файлам уникальные идентификаторы).

• -    Простота поддержки (используются стандартные механизмы, независимые от платформы).

  

  Рисунок 4 – Структура метаописания дисциплины

  
  

THEME CONTENT

UUID

themed ameDefault

checksum

numSlides

Рисунок 5 – Схема обособленных метаданных темы

Рисунок 6 – Перспективная схема организации сетевого взаимодействия

Для проведения интеграции с ЭИОС университету могут быть переданы веб-сервис, предоставляющий файлы контейнеров и метаописаний по запросам мобильных приложений, а также программный продукт, автоматизирующий составление метаописания на основе введенных пользователем данных и сборки транспортных контейнеров (архивов) с учебными материалами.

В перспективе – получение обратной связи от пользователей и на её основе доработка программных компонентов ИС и форматов метаинформации для описания дисциплин, тестов, мультимедиа.

Применение в образовательном процессе разрабатываемой ИС позволит сократить время, необходимое пользователю на взаимодействие с интерфейсом ПО, увеличив, тем самым, доступность информации и упростив её усвоение. Возможность загрузки учебных пособий на пользовательские устройства и их автономное отображение позволит продолжать обучение при возникновении проблем с глобальной сетью.