Информатизация инженерного образования (выпуск 1)

Ч А С Т Ь 2. СРЕДСТВА ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

По отношению к ЭУМК портал вуза должен выполнять функции поиска ресурсов и переадресации. Есть еще несколько функций, которые может выполнять портал. Эти функции общие для всех ЭУМК и включают в себя:

•корпоративную электронную почту и форумы;

•электронный документооборот;

•аутентификацию;

•хранение административных сведений об участниках учебного процесса. Несколько хуже обстоит дело с электронным документооборотом. Обычно в ву-

зе присутствуют следующие организационные уровни:

•ректорат;

•деканаты;

•кафедры;

•преподаватели;

•студенты.

Реализация открытого документооборота на первых трех уровнях не вызывает сомнения, лица, вовлеченные в него имеют опыт традиционного документооборота, обязаны участвовать в нем в связи со своими должностными обязанностями. На последних двух уровнях введение обязательного электронного документооборота сомнительно — даже регистрация преподавателей в системе электронной почты не обходится без привлечения административного ресурса. Примерно 30 % преподавателей не готово использовать электронный документооборот в своей повседневной деятельности. На это накладывается еще одно обстоятельство. В вузе отсутствуют юридические и организационные средства для обеспечения защищенного документооборота: шифрования данных при пересылке, хранения, использования электронной подписи.

Отметим также, что защищенный документооборот едва ли возможен без наличия устройств хранения секрета. В нашем случае это либо брелоки, либо смарт-карты, на которых хранятся секретные ключи и цифровые сертификаты лиц, вовлеченных в защищенный документооборот. Для работы с ними необходимы устройства их чтения на компьютерах, предназначенных для документооборота. Администрация вуза должна обеспечить функционирование удостоверяющих центров, создание и отзыв цифровых сертификатов для серверов и лиц, участвующих в защищенном документообороте.

Все сказанное выше приводит к выводу, что в ближайшие годы ведение электронного документооборота будет ограничено уровнем ректората и факультетов и, вероятно, кафедр. Разрыв документооборота будет осуществляться на уровне отдельного преподавателя при связи ЭУМК с административной системой вуза. Заполнение ведомостей, проставление оценок, подпись, передача документов в деканат будет осуществляться вручную из-за необходимости защиты от подделок.

Перейдем теперь к распределению функций между ЭУМК и административной системой вуза (факультета). Выше говорилось о том, что большинство современных ЭУМК строится по принципу все в одном, обеспечивая информационные функции, функции управления и администрирования силами самого ЭУМК. Такой подход характерен для УМК, публикуемых во Всемирной паутине.

Для локальных мультимедийных ЭУМК также характерна автономизация всех функций, включая управление учебным процессом, проверку знаний обучаемых, сбор статистики. Тем не менее, и в локальных ЭУМК необходим сетевой компонент, который, по крайней мере, будет осуществлять передачу административной

242

Г л а в а 7. Информационное обеспечение электронного обучения

системе вуза результатов проверки знаний. Другим сетевым компонентом должен являться компонент, осуществляющий управление процессом обучения и выдачу индивидуальных заданий обучаемому.

Таким образом, естественно, выделить функции управления процессом обучения в локальных ЭУМК и ЭУМК, публикуемых во Всемирной паутине, и сделать их общими для всех электронных ресурсов вуза.

Перечислим эти функции:

•аутентификация пользователей;

•конфигурационный сервис, т.е. средства, позволяющие хранить настроечные данные ЭУМК в одном месте для упрощения администрирования;

•сервис данных, позволяющий ЭУМК получать данные из различных источников, в том числе и удаленных;

• сервис аудита — это средства, отслеживающие действия пользователей и систем и фиксирующие эти действия в журнале — базе данных.

Выше достаточно подробно была рассмотрена аутентификация пользователей, здесь же только отметим, что служба аутентификации должна быть единой для вуза хотя бы по двум причинам. Во-первых, это снизит трудоемкость создания учетных записей для каждого учебного ресурса, во-вторых, упростит для обучаемых работу с учебными ресурсами, так как совсем необязательно заставлять обучаемых использовать разные учетные записи и пароли для доступа к ЭУМК по различным дисциплинам.

Второй общей службой, используемой практически всеми учебно-методиче- скими комплексами, является сервис данных. В динамических web-приложениях где-то нужно хранить данные, обычно это либо текстовые файлы, либо XMLфайлы, хранимые в файловой системе сервера, либо системы управления базами данных. Обычно практикуемый подход состоит в том, чтобы использовать стандартную связку, например, Linux — Apache — MySql или Windows — IIS — SQL Server. В любом случае, когда несколько ЭУМК используют одни и те же данные, возникает задача, каким образом поддерживать актуальность всех копий данных. Одним из подходов к решению этой задачи является использование одной СУБД для нескольких ЭУМК, причем ЭУМК «общаются» с базой данных через web-сер- вис. В настоящее время существует большое число инструментальных средств, которые позволяют с умеренными трудозатратами решить данную задачу. Такой подход, кроме всего, снижает стоимость владения при использовании коммерческих СУБД. Действительно, один и тот же экземпляр СУБД можно использовать для работы нескольких ЭУМК, разумное использование пула соединений, позволяет дополнительно сократить стоимость эксплуатации, когда последняя зависит от допустимого количества соединений. Использование web-служб уменьшает сложность администрирования при размещении ЭУМК в различных сетях, что актуально для больших вузов. Как показывают эксперименты, использование webсервисов для передачи совместно используемых данных в образовательных приложениях не вызывает существенного снижения производительности.

Частным видом сервиса данных является конфигурационный сервис. При своей работе ЭУМК используют достаточно большой объем настроечной информации, включая строки соединений с базами данных, пути к каталогам с XML-файлами и XML-схемами, да и просто параметры, определяющие режимы работы webприложений. ЭУМК могут быть расположены в различных местах, управляться

243

Ч А С Т Ь 2. СРЕДСТВА ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

различными людьми. В то же время часть настроечной информации является общей для большинства ЭУМК, например IP-адреса web-сервисов. При эксплуатации ЭУМК эту информацию необходимо менять согласованно. Данная задача решается следующим образом: локально хранится только адрес и пароль конфигурационной службы, после обращения к ней ЭУМК получает всю необходимую настроечную информацию.

Сервис аудита представляет собой еще одну производную от сервиса данных. В ряде случаев представляется целесообразным отслеживать действия пользователя

исистемы, ведя журнал работы приложения. Именно эту задачу и решает сервис аудита, который при возникновении определенных событий, например при обращении пользователя к ЭУМК или выдаче задания обращается к сервису данных

иделает в журнале приложения запись о событии.

Спомощью специальной утилиты администратор системы может просматривать журнал, создавать отчеты по определенным видам событий. Более того, можно по определенным видам событий отправлять сообщения электронной почты преподавателям, ведущим занятия и администраторам системы.

Рассмотрим структуру управления учебными ресурсами учебного заведения (рис. 7.10). При работе с электронными ресурсами пользователь обращается к порталу вуза, после выбора нужного ресурса пользователь переадресовывается к соответствующему ЭУМК. Для получения индивидуальных заданий, проверки знаний, взаимодействия с преподавателями пользователю необходимо пройти аутентификацию. Представляется желательным, чтобы процедура аутентификации была единой для всех ЭУМК.

244

Г л а в а 7. Информационное обеспечение электронного обучения

Далее обучаемый работает с ЭУМК. На стороне обучаемого практически все равно, где расположены ЭУМК, на стороне вуза представляется целесообразным, чтобы эксплуатацией ЭУМК занимались кафедры, проводящие занятия по дисциплине. Возможны два способа развертывания ЭУМК, в первом случае ЭУМК развернут на сервере кафедры и взаимодействует с совместно используемыми webсервисами, управляемыми вычислительным центром вуза. Второй способ состоит в развертывании ЭУМК на web-серверах вычислительного центра вуза. Второй подход представляется менее предпочтительным из-за разнообразия имеющихся образовательных ресурсов, сложности управления ими сотрудниками вычислительного центра. Кроме того, возникают дополнительные трудности с обеспечением оперативного доступа преподавателей для работы с этими вычислительными ресурсами.

Для управления ЭУМК необходимо создание защищенных web-утилит. Webутилиты предназначены для создания списков обучаемых, пользовательских учетных записей, профилей обучаемых (индивидуальных учебных планов работы с конкретным ЭУМК).

Важным вопросом проведения учебного процесса с использованием большого числа ЭУМК является обеспечение взаимодействия между ядром ЭУМК и совместно используемыми web-службами. Представляется целесообразным создание внутренних стандартов взаимодействия, использование XML для обмена сообщениями, создания публикуемых XML-схем. Наличие таких предпосылок позволяет с разумными трудозатратами дорабатывать существующие образовательные ресурсы по схеме, приведенной на рис. 7.11.

Для взаимодействия с web-службой разрабатывается простой программный адаптер, который преобразует формат сообщений web-службы во внутренний формат УМК. Сделать это можно различными способами, например после синтаксического анализа XML-сообщения его элементы непосредственно преобразуются в структуры данных УМК. Второй подход состоит в использовании XSLT-преобра- зований. Следует отметить, что практически все используемые в настоящее время развитые web-технологии имеют библиотеки для работы с XML и XSLT. Обмен данными может проводиться с помощью запроса POST или протокола SOAP. XML-схема используется для контроля правильности XML-сообщения при его синтаксическом анализе.

Клиент web-сервиса представляет собой простую программу, обращающуюся к web-сервису для выполнения удаленной процедуры и получающую результат

Рис. 7.11. Схема взаимодействия между УМК и совместно используемых web-сервисов

245

ЧА С Т Ь 2. СРЕДСТВА ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

еевыполнения. В качестве удаленной процедуры может, например выступать процедура аутентификации, также можно выполнять запросы к удаленной базе данных, передавая SQL-запрос или имя удаленной процедуры и ее параметры.

Перейдем теперь к перечислению угроз нормальному функционированию ЭУМК и способам противодействия им. Наиболее вероятной угрозой функционированию ЭУМК при обеспечении учебного процесса являются различные вирусные атаки как для клиентских, так и в особенности серверных приложений. Опыт последних двух лет показал, что грамотно написанное вирусное программное обеспечение типа Nimda или MS Blaster могут на несколько дней вывести из строя серверное программное обеспечение организаций особенно при повторном взаимном заражении компьютеров в сети. Помочь в этом случае могут только тщательно скоординированные организационные меры, включая системных администраторов

учебного заведения, своевременно рассылающих предупреждения об угрозах

испособах их устранения и дисциплинированных администраторов образовательных ресурсов, которые не ленятся своевременно устанавливать новые версии

икритические обновления программного обеспечения, проводить профилактические процедуры (например, создание архивных копий ресурсов для их быстрого восстановления).

Большую организационную работу требуется проводить на стороне пользователей (с обучаемыми и преподавателями). Представляется целесообразным при поступлении обучаемого снабжать его памяткой о правилах безопасности при работе с учебными ресурсами, а также комплектом антивирусного обеспечения для поиска и уничтожения вирусов и троянов. Обязательным должно являться использование на всех клиентских компьютерах, персональных межсетевых экра-

нов. Данные средства либо встроены в операционную систему (Windows XP и Linux), либо являются бесплатными или условно-бесплатными. Во всяком случае, вуз должен приобретать корпоративные версии указанных средств (они совсем недорогие при расчете на одного пользователя учебного заведения) и включать их в стоимость обучения.

Должна быть создана служба поддержки обучаемых, дающая пользователям рекомендации по решению проблем, связанных с безопасностью и восстановлением данных.

Второй угрозой нормальному проведению учебного процесса являются различные атаки на образовательные ресурсы. Профилактика, отслеживание и отражение такого рода атак является обязанностью службы сетевых администраторов вуза.

Следующей по значимости угрозой является взлом баз данных и распространение паролей доступа к образовательным ресурсам. Опять-таки, основным противодействием этой угрозе являются организационные мероприятия. Нельзя допускать использования одних и тех же паролей в течение длительного времени. Кроме того, должно осуществляться немедленное блокирование взломанных учетных записей до обращения легального пользователя и выдачи ему новых учетных данных для доступа к ресурсам. Кстати, чем дороже использование ресурса, тем меньше находится желающих делиться доступом к нему или развешивать пароли доступа на бумажках, прикрепленных к монитору.

Еще одна угроза состоит в перехвате и подмене трафика, например при осуществлении процедуры аутентификации или передаче критических данных, заданий или зачетных ведомостей. Такой угрозе достаточно просто противостоять, установив на web-серверы серверные сертификаты и используя при аутентификации

246

Г л а в а 7. Информационное обеспечение электронного обучения

защищенный обмен данными с помощью протокола SSL. Как указывалось выше, основной объем критической информации либо передается во внутренней сети, где ее можно защитить с помощью шифрования трафика или использования виртуальных частных сетей при обмене данных с филиалами. Зачетные и экзаменационные ведомости еще несколько лет будут передаваться традиционным путем.

В качестве примера рассмотрим распределенную архитектуру, реализованную при создании учебно-методического комплекса по электротехническому материаловедению (УМК ЭТМ). Было принято решение оформить часто используемые функции в библиотеки классов и реализовать возможность локального и удаленного использования в виде web-сервисов. В виде программных слоев было решено оформить подсистемы доступа к данным, аутентификации, доступа к конфигурационным (настроечным) данным. Доступ к базе данных осуществляется локально (на том же компьютере или в той же локальной сети) или через сеть. Последнее позволяет достаточно легко строить распределенные приложения, функционирующие с одной и той же базой данных.

Отметим, что подсистемы доступа к данным, аутентификации, доступа к конфигурационным данным оформлены в виде web-служб. Опять-таки, это сделано для облегчения построения распределенных приложений, одни и те же web-служ- бы могут быть использованы для функционирования нескольких web-приложений. Более того, предлагается размещать перечисленные выше web-службы во внутренней сети организации, запретив доступ к ним извне. Такой подход существенно снижает риски, связанные с безопасностью системы (рис. 7.12).

Доступ к внутренним службам возможен только из внутренней сети, к которой подключен компьютер и развернуты web-приложения для доступа внешних пользователей. Непосредственный доступ к внутренним службам и приложениям невозможен.

Другой подход менее надежен, но более экономен в отношении использования аппаратных средств и может быть использован в организациях, совместно использующих одну внутреннюю сеть. В этом случае все компьютеры с развернутыми на них web-службами и приложениями помещаются во внутреннюю сеть, предполагается, что на маршрутизаторе поднят NAT. Внутренние IP-адреса web-серверов, на которых размещены приложения, доступные извне, отображаются на внешние IPадреса, доступные пользователям через Интернет.

Одной из подсистем, используемых повторно в УМК ЭТМ, является уровень доступа к данным (пространства имен DataAccess и DataAccessService). Идеология создания уровня доступа к данным является следующей: сделать доступ к данным насколько это возможно независимым от источников данных, унифицировать локальный и удаленный доступ к данным, упростить доступ к данным (в большинстве случаев доступ к источникам данных осуществляется вызовом методов, которым передается символическое наименование источника данных и SQL-запрос), возвращается либо набор данных, либо элементарный объект (число, строка), либо результат выполнения запроса (например, число обновленных записей).

Поставленные цели достигаются следующим образом. При инициализации приложение считывает из файла настройки значения параметра remote, определяющего, какой доступ к данным определен системным администратором системы, — локальный или удаленный. Кроме того, считывается пароль для обращения к webслужбе, которая отвечает за хранение и передачу приложениям настроечной

247

Ч А С Т Ь 2. СРЕДСТВА ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

!

! " #

$

Рис. 7.12. Размещение используемых совместно приложений и служб во внутренней сети организации

информации, в частности строк соединений с источниками данных. После этого система полностью готова для работы с пользователями: определена ее конфигурация, например расположение и правила работы со службой аутентификации. Все обращения к источникам данных перехватываются уровнем доступа к данным вне зависимости от того, где расположены источники (локально или удаленно), какая система управления базами данных используется (в настоящее время в системе поддерживаются Access и SQL Server).

248

Г л а в а 8

ЭЛЕКТРОННЫЕ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ

Электронные учебно-методические комплексы (ЭУМК) — представляют собой объединение учебно-методических, программно-технических и организационных средств, обеспечивающих полную совокупность образовательных услуг (организационных, методических, теоретических, практических, экспериментальных, консультационных и других), которые необходимы и достаточны для изучения конкретной учебной дисциплины и для данной формы обучения (очной, очнодистанционной, дистанционной).

ЭУМК достаточно дорогие продукты и поэтому должны допускать использование при различных видах обучения, например виртуальные лабораторные практикумы можно использовать не только при дистанционной, но и очной и очнодистанционных формах обучения в качестве дополнения к реальным лабораторным практикумам.

Использование ЭУМК позволяет перенести образовательный процесс из аудиторий вуза домой студентам, которые могут выполнять обязательные задания не только по расписанию, но и в удобное для них время, например по вечерам и выходные дни, что немаловажно для современной молодежи, сочетающей обучение с работой.

8.1. Состав электронных учебно-методических комплексов

ЭУМК должны полностью обеспечивать все виды занятий по дисциплине

ивключать в себя:

•средства изучения теоретических основ дисциплины (информационная составляющая);

•средства поддержки практических занятий;

•лабораторный практикум, позволяющий проводить занятия при всех поддерживаемых учебным заведением формах обучения;

•средства поддержки выполнения курсовых проектов и расчетных заданий;

•средства контроля знаний при изучении дисциплины;

•средства взаимодействия между преподавателем и обучаемыми в процессе изучения дисциплины;

•методические рекомендации по изучению как всей дисциплины, так и отдельных объектов в ее составе;

•средства управления процессом изучения дисциплины.

Не все перечисленные выше компоненты являются обязательными, например, если по учебному плану не предусмотрено проведение практических занятий, то средства их поддержки могут не входить в ЭУМК.

К информационной составляющей ЭУМК относятся учебники, учебные пособия, задачники, методические разработки. В дальнейшем будем называть их элек-

249

Ч А С Т Ь 2. СРЕДСТВА ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

тронными изданиями (ЭИ). Информационная составляющая является электронным аналогом обычных книг и брошюр. Перечислим отличия от обычных книг:

•возможность использования наряду со статическими текстами и изображениями мультимедийных ресурсов (звука и видео);

•возможность оперативного и интеллектуального поиска информации;

•наличие встроенных средств навигации, позволяющих пользователю переходить к основной странице издания, предыдущей, следующей странице издания, просмотреть оглавление всего издания или его раздела. Все сказанное выше моде-

лирует иерархически-линейную структуру издания. Возможно использование и других форм навигации, например «географической» карты издания в случае сетевой структуры издания;

• возможность оперативного внесения изменений после публикации. Электронные издания обычно существуют в различных представлениях. Воз-

можно представление изданий в формате текстового процессора, например Word, публикация издания в переносимом формате, например Adobe PDF.

Следующей формой публикации ЭИ является публикация во Всемирной паутине в формате HTML1. По сравнению с форматами текстовых процессоров выразительные возможности данного вида публикации несколько беднее, чем возможности текстовых процессоров, однако их вполне хватает для решения практически всех задач обучения. Здесь же необходимо отметить и существенно отличающиеся требования к публикации во Всемирной паутине, в локальной сети и на рабочем месте пользователя. Связано это с различающейся на порядки пропускной способностью каналов передачи данных. Если размер порции данных (кадра ЭИ), доставляемых пользователю за один раз не должен превышать 100 кб для издания, публикуемого во Всемирной паутине, для локальной сети это могут быть несколько сотен килобайт, для локальной публикации — мегабайты. Основным инструментом для работы с ЭИ, публикуемых во Всемирной паутине является браузер. Следует отметить, что, несмотря на наличие стандартов, основные браузеры по-разному отображают одну и ту же информацию, особенно динамическую, более того, для отображения информации на некоторых устройствах, например карманных компьютерах и смартфонах используются различные технологии.

Все это приводит к необходимости создания набора версий одного и того же издания или преобразования одного представления в другое.

Магистральным путем для динамического преобразования различных видов представлений электронных изданий являются технологии XML, которые позволяют описывать структуру и взаимоотношение различных фрагментов документов в форме, которая легко воспринимается как компьютерами, так и пользователем. На базе XML разрабатываются различные языки, позволяющие описывать воспроизведение различных видов информации, например MathML используется для описания и представления математических формул, а SMIL — мультимедийных ресурсов.

Таким образом ЭИ должны допускать многовариантное представление, возможно, с различной функциональностью для работы с помощью различных пользовательских агентов. Минимальный состав версий ЭИ должен обеспечивать работу

1 Эта форма публикации HTML условно называется публикацией, так как при этом используются и другие технологии, например CSS для стилевого оформления, динамический HTML — для создания динамических документов, Macromedia Flash для анимации.

250

Гл а в а 8. Электронные учебно-методические комплексы

сЭИ на персональном компьютере и распечатку его на бумаге. Электронное представление ЭИ позволяет хранить их на любых электронных носителях и доставлять через сеть. Следует отметить, что ЭИ — это наименее трудоемкая составляющая ЭУМК.

Лабораторные практикумы представляют собой наиболее трудоемкую и спорную составляющую ЭУМК. Дело в том, что лабораторные работы, выполняемые на компьютере дистанционно, не всегда и не во всем равнозначны работам, выполняемым на реальном оборудовании. Использование дистанционных лабораторных практикумов существенно зависит от учебной дисциплины и требует вдумчивой методической проработки, определяется преподавателями-предметниками, соответствующими методическими советами. При создании лабораторных практикумов используются либо реальное оборудование, доступ к которому осуществляется дистанционно, либо модели изучаемых процессов и оборудования.

В первом случае обучаемый дистанционно взаимодействует с реальным оборудованием, что требует весьма значительных затрат. Кроме того, не любое оборудование и технологические процессы позволяют осуществлять доступ группам обучаемых (нельзя одновременно и независимо управлять одним и тем же оборудованием нескольким обучаемым, это требует мультиплексирования и накладывает определенные ограничения на характерные времена протекающих процессов).

Во втором случае модели позволяют обучаемому получать доступ к процессам и оборудованию, использование которых в учебных заведениях практически невозможно, дают возможность произвольно менять временные масштабы изучаемых процессов. В то же время обучаемый при проведении виртуальных лабораторных работ взаимодействует не с реальным оборудованием и технологическими процессами, а с моделью, адекватность и подробность которой зависят от реализации. К достоинствам этого подхода необходимо отнести низкие требования к аппаратным средствам, возможность использования в сетевом и локальном вариантах.

Выбор подхода к созданию лабораторного практикума определяется особенностями учебной дисциплины, а также материальными, финансовыми и кадровыми возможностями организации.

В техническом образовании практические занятия в основном посвящены решению различных задач, поэтому для проведения их необходимы:

•подборка задач;

•примеры решения типовых задач;

•методические указания по решению задач;

•консультации преподавателя;

•справочная информация;

•средства решения задач (компьютерные модели, средства проведения инженерных расчетов).

Разница проведения практических занятий при очном и дистанционном видах обучения определяется организацией взаимодействия между обучаемым и преподавателем, а также степенью взаимодействия между обучаемыми. В очном образовании преподаватель может управлять ходом решения задач в реальном времени, направляя обучаемых, комментируя и объясняя типичные ошибки. Взаимодействие между обучаемыми позволяет быстрее находить решения, кроме того, обучаемые получают опыт совместной работы. В заочном образовании, обучаемый получает комплект, состоящий из задачника, задания, методических указаний, приме-

251