Реализация базы данных для адаптивной обучающей системы

Проектирование базы данных

Целью разработки любой базы данных является хранение и использование информации о какой-либо предметной области. Системы управления реляционными базами данных — это основа информационных систем по всему миру, и особенно в распределенных вычислительных системах типа клиент-сервер. Они позволяют множеству пользователей быстро и одновременно обращаться к данным, создавать их, редактировать и манипулировать ими, не мешая другим пользователям и не оказывая влияния на их действия.

Перспективным направлением развития компьютерных средств обучения являются адаптивные обучающие системы (АдОС). Такие системы позволяют строить учебный процесс с учетом индивидуальных особенностей обучаемого. и способствуют повышению эффективности обучения. Адаптивных обучающих программ сравнительно мало и в большинстве из них реализованы лишь отдельные виды адаптационных механизмов. Это объясняется недостаточной проработанностью многих аспектов построения АдОС, сложностью и трудоемкостью их реализации и подготовки учебных материалов. Одной из проблем является организация базы данных для АдОС, так как в ней помимо обычной информации о студентах, учебных материалах должны храниться и постоянно обновляться данные о психолого-эмоциональном состоянии ученика, об индивидуальной траектории обучения и т. п.

Учебные материалы в АдОС также должны быть хорошо структурированы. Помимо обычной систематизации (дисциплина-тема-урок) учебные материалы имеют несколько уровней сложности, например, низкий, средний и высокий (а лучше, больше). В составе контента должны присутствовать альтернативные и дополнительные учебные единицы (УЕ). Дополнительные учебные единицы, позволяют увеличить знания по определенной теме, расширить кругозор в области данной дисциплины. Они подставляются в траекторию обучения, если успехи студентов значительны. Альтернативные (специализированные) УЕ включают в траекторию при необходимости учета психических и физических особенностей обучаемых. Например, для людей с пониженным уровнем внимания должен быть, предложен материал, акцентирующий внимание на существенных моментах.

Ряд проблем построения базы данных в АдОС связано с хранением тестовых материалов и результатов тестирования, так как кроме тестов учебных достижений необходимо обеспечить наличие психологических тестов и опросников для выявления пожеланий и настроений обучаемого. Задача еще более усложняется, если применять комплексные тесты. Применение комплексных тестов требует множественной оценки (и уровень знаний, и психо-эмоциональное состояние обучаемого) и результаты тестирования должны быть отражены в соответствующих таблицах базы данных [19].

Таким образом, в базе данных можно выделить три группы таблиц: информация о пользователях, учебные материалы, тестовые материалы К первой группе относятся таблицы «учетные записи пользователей», «пользователи» (users) и «характеристики». Таблица с учетными записями содержит логины и пароли обучаемых, которые обеспечивают им вход в систему (авторизацию). В таблице «пользователи» хранится информация об обучаемом, которую получают при его регистрации: фамилия, имя и отчество обучаемого, почтовый адрес, номер телефона, пароль, курс, статус, идентификатор траектории. Статус «особый» студент ставится при наличии у него каких-либо заслуг, показывающих повышенные по сравнению с остальными возможности при изучении указанного курса: закончил с красным аттестатом школу, участвует и занимает хорошие места на олимпиадах и т. п. Наличие статуса «особый» позволяет изначально выбирать более сложный вариант индивидуальной траектории. Также в этой таблице должна храниться и постоянно обновляться информация, составляющая психологическую модель обучаемого: уровень внимания, интеллекта, преобладающий вид памяти и другие. Таблица «характеристики» является справочником, в котором перечисляются контролируемые характеристики обучаемых.

Группа учебные материалы включает таблицы «учебные материалы», «справочник дисциплин», «темы», «траектории обучения». Таблица «учебные материалы» содержит ссылки на файлы с учебными материалами, привязанные к темам. Учебные материалы структурированы. Каждый файл содержит одну элементарную учебную единицу, обозначенную трехсимвольным индексом: первый символ показывает группу, второй — № единицы, третий — уровень сложности. Номер единицы привязан к теме, поэтому десяти цифр будет достаточно. Число уровней сложности также ограничено. Имеется три группы учебных единиц. Обозначим их: G — базовые, A — альтернативные, Dдополнительные. Тогда траекторию обучения можно представить в виде строки. Например базовая траектория (обязательная, для студентов, претендующих на удовлетворительную оценку) выглядит следующим образом: G11G21G31G41G51G61. Траектория 3-го уровня сложности — G13G23G33 D31D32D33G43G53D51G63 помимо основных единиц 3-го уровня сложности включает также дополнительные. Таблица «траектории обучения» содержит название траектории, признак базовой траектории, а также границы траектории. Каждая траектория привязана к теме и дисциплине.

Группа тестовые материалы включает таблицы с вопросами (текст вопроса, сложность, идентификаторы темы и изображения), с ответами (текст ответа, признак правильности, идентификатор вопроса, которому ответ относится), с результатами тестирования и с изображениями для тестовых заданий.

Для реализации базы данных используется выбранная СУБД MySQL. Также для удобства создания таблиц и создания запросов будет использоваться Aqua Data Studio.

Созданные таблицы имеют третью нормальную форму. Если база данных приведена ко второй нормальной форме и каждый не ключевой столбец независим друг от друга. Данные требования соблюдены.

Для создания информации о студенте и создании учебных материалов в приложениях преподавателя и обучаемого были использованы следующие таблицы: таблица с вопросами, таблица с ответами, таблица с учетными записями пользователя, таблица с характеристиками, таблица с текстом для теоретического материала, таблица со справочником дисциплин, таблица с траекториями обучения, таблица с пользователями, таблица с результатами по тестированию, таблица с изображениями для тестовых заданий и учебных материалов.

Таблица с вопросами содержит текст вопроса, сложность, идентификаторы темы и изображения. Таблица с ответами содержит текст ответа, признак правильности, идентификатор вопроса, которому ответ относится. Таблица с характеристиками содержит информацию о характеристике. В таблице с пользователями хранится информация об обучаемом, т. е. фамилия, имя и отчество обучаемого, почтовый адрес, номер телефона, логин и пароль. Таблица с учетными записями содержит логин и пароль обучаемого, по которому может обучаемый входить в систему. Таблица с траекториями содержит название траектории, признак базовой траектории, а также границы траектории. Таблица с результатами обучения содержит информацию о пройденном тестировании.

Информация, созданная в таблицах с вопросами, ответами и изображениями необходимо для тестовых заданий в приложении обучаемого. Информация, созданная в таблицах с текстом для теоретического изучения, с изображениями и характеристиками необходима для отображения данной учебного материала для обучаемого в ходе тестирования. Таблица с учетными записями пользователя и таблица с пользователями необходимы для регистрации и авторизации обучаемого в системе. Справочник с дисциплинами нужен для изучения учебного материала с определенной темой по дисциплине. Таблица с результатами необходима для сохранения истории обучения. Таблица с траекториями необходима для задания базовой траектории обучаемого, а также для корректировки в ходе обучения.

Таблицы для создания тестовых заданий, учебных материалов, а также задания базовой траектории заполняет преподаватель в своем приложении для преподавателя.

В настоящее время база данных АдОС реализована в соответствии со схемой, представленной на рисунке 3.2. Главное достоинство MySQL — ее простота. Как следствие — высочайшая скорость выполнения SQL-запросов и необходимость явного программирования основных правил поддержки целостности и непротиворечивости данных на уровне сервера приложений.

Рисунок 3.2 — Схема базы данных АдОС.