Инструменты и методы разработки электронных образовательных ресурсов по компьютерным наукам

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

Федеральное государственное автономное 

образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

М. Э. Абрамян

ИНСТРУМЕНТЫ И МЕТОДЫ

РАЗРАБОТКИ ЭЛЕКТРОННЫХ 

ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ 

ПО КОМПЬЮТЕРНЫМ НАУКАМ

Монография

УДК 004
ББК 32.973

А164

Печатается по решению 

Комитета по естественнонаучному и математическому направлению науки и образования 

при ученом совете Южного федерального университета (протокол № 6 от 15 сентября 2017 г.)

Рецензенты: 

доктор технических наук, профессор кафедры «Информатика» 

Ростовского государственного университета путей сообщения (РГУПС)

М. А. Бутакова;

кандидат педагогических наук, доцент кафедры информатики

и вычислительного эксперимента Института математики, механики 

и компьютерных наук им. И. И. Воровича Южного федерального университета

Е. Е. Сивоконь

Абрамян, М. Э.

А164
Инструменты и методы разработки электронных образователь
ных ресурсов по компьютерным наукам : монография / 
М. Э. Абрамян ; Южный федеральный университет. — Ростов-наДону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2018. — 260 с.

ISBN 978-5-9275-2785-4
Монография посвящена различным аспектам создания и использования 

образовательных ресурсов, связанных с практическим обучением программированию, — электронных задачников. В ней содержится обзор подходов к разработке электронных образовательных ресурсов по компьютерным наукам
и описывается предложенная автором архитектура электронных задачников, 
позволяющая использовать их для разных языков и сред программирования. 
Рассматриваются компоненты данной архитектуры и дополнительные программные инструменты, упрощающие применение электронных задачников 
на лабораторных занятиях. Описываются методы разработки специализированных электронных задачников, посвященных изучению алгоритмов и компьютерных технологий, в том числе задачников по параллельному программированию. В качестве примеров реализации описанных методов и инструментов 
используются разработанные автором программные комплексы: универсальный электронный задачник Programming Taskbook, его специализированные 
расширения, а также комплекс для преподавателя Teacher Pack.

Для специалистов в области теории и методики профессионального обра
зования, а также школьных и вузовских преподавателей информатики.

УДК 004 

ББК 32.973

ISBN 978-5-9275-2785-4

©  Южный федеральный университет,  2018
©  Абрамян М. Э.,  2018
©  Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2018

Оглавление

Предисловие .................................................................................................................6

Глава 1. Электронные задачники как основной вариант ЭОР 

практического типа ................................................................................................9
1.1. Виды электронных задачников по программированию .................................9

1.1.1. Гипертекстовые задачники......................................................................10
1.1.2. Задачники, встроенные в учебные среды программирования.............10
1.1.3. Сетевые тестирующие системы и основанные на них сервисы ..........11
1.1.4. Тестирующие системы с проверкой программ на клиентском 
компьютере..........................................................................................................13

1.2. Реализация универсального электронного задачника ..................................14

1.2.1. Основные свойства электронного задачника по программированию.14
1.2.2. Базовые элементы архитектуры универсального электронного 
задачника .............................................................................................................16
1.2.3. Элементы архитектуры, связанные с разработкой новых заданий .....21
1.2.4. Варианты реализации универсального электронного задачника ........23

Глава 2. Компоненты архитектуры универсального электронного 

задачника: принципы разработки и пример реализации 
(задачник Programming Taskbook) ....................................................................26
2.1. Электронный задачник в действии: пример выполнения задания 

с применением задачника Programming Taskbook ..........................................26
2.1.1. Выбор учебного задания и создание проекта-заготовки......................26
2.1.2. Окно задачника и его дополнительные режимы ...................................30
2.1.3. Ввод исходных данных ............................................................................32
2.1.4. Разработка алгоритма решения и вывод результатов...........................38
2.1.5. Регистрация полученного решения ........................................................44

2.2. Особенности реализации базовых компонентов универсального 

задачника для различных языков и сред программирования.........................46
2.2.1. Языки Visual Basic и Visual Basic .NET..................................................46
2.2.2. Язык Python ...............................................................................................49
2.2.3. Языки Java и Ruby ....................................................................................52
2.2.4. Язык системы программирования 1С:Предприятие.............................56

2.3. Отладочные средства задачника и дополнительные возможности 

ввода-вывода .......................................................................................................58
2.3.1. Отладочный вывод ...................................................................................58

Оглавление

4

2.3.2. Использование отладочных средств при выполнении заданий 
по параллельному программированию ............................................................63
2.3.3. Расширенные возможности средств ввода-вывода и отладки: языки 
платформы .NET и язык C++.............................................................................66

2.4. Автоматическое тестирование полученного решения и визуализация 

результатов..........................................................................................................71
2.4.1. Особенности реализации механизма автоматического тестирования 71
2.4.2. Визуализация данных в электронных задачниках ................................76

2.5. Использование электронных задачников при изучении динамических 

структур ...............................................................................................................85
2.5.1. Особенности практикума по динамическим структурам  и пути 
повышения его эффективности.........................................................................85
2.5.2. Состав электронного задачника по динамическим структурам ..........88
2.5.3. Варианты реализации для различных языков программирования......89
2.5.4. Визуализация динамических структур...................................................90
2.5.5. Обработка ошибок....................................................................................93
2.5.6. Примеры выполнения учебных заданий ................................................94

2.6. Реализация работы с файловыми данными в электронных задачниках.....98

2.6.1. Задания на обработку файлов и их особенности...................................98
2.6.2. Группы заданий, посвященные файловой обработке .........................100
2.6.3. Варианты реализации для различных языков программирования....102
2.6.4. Визуализация файловых данных и другие возможности 
задачника, связанные с файловой обработкой ..............................................104
2.6.5. Дополнительные возможности, связанные с применением 
файлов в электронных задачниках. Задачник PT for Exam..........................109

2.7. Конструктор учебных заданий......................................................................114

2.7.1. Общее описание конструктора учебных заданий ...............................114
2.7.2. Базовые компоненты конструктора учебных заданий........................117
2.7.3. Форматирование текстов заданий.........................................................119
2.7.4. Компоненты конструктора, связанные со сложными типами 
данных................................................................................................................123
2.7.5. Разработка заданий по параллельному программированию..............127
2.7.6. Реализация «облегченных» версий конструкторов учебных 
заданий...............................................................................................................128

Глава 3. Программные средства для организации и проведения 

лабораторных занятий: принципы разработки и пример реализации 
(комплекс Teacher Pack) ....................................................................................130
3.1. Дополнительные компоненты электронных задачников 

и их использование при проведении лабораторных занятий.......................132
3.1.1. Генерация индивидуальных наборов заданий: файлы вариантов .....132
3.1.2. Проверка текстов учебных программ: контрольные файлы ..............140
3.1.3. Проведение контрольных работ: сводные группы..............................143
3.1.4. Адаптация учебных заданий: файлы дополнений...............................147
3.1.5. Сценарий проведения лабораторного занятия: внешние группы......151

Оглавление

5

3.2. Автоматизация действий по организации и мониторингу 

лабораторных занятий......................................................................................157
3.2.1. Контрольный центр преподавателя ......................................................157
3.2.2. Варианты централизованного хранения учебных программ 
и дополнительных файлов: CVS-репозитории, каталоги обновлений, 
веб-сервисы .......................................................................................................161
3.2.3. Удаленные ftp-репозитории, управляемые сертификатами доступа 166
3.2.4. Особенности работы компонентов задачника при наличии 
сертификатов доступа ......................................................................................170
3.2.5. Дополнительные возможности по проверке текстов программ ........172
3.2.6. Автоматизация поиска заимствований в текстах программ ..............176
3.2.7. Типовые сценарии проведения лабораторных занятий......................181

Глава 4. Разработка специализированных электронных задачников........184

4.1. Методы разработки задачников по технологиям программирования ......184

4.1.1. Возможности электронных задачников, связанные 
с практическим изучением технологий программирования ........................184
4.1.2. Интерфейс LINQ платформы .NET и стандартная библиотека 
шаблонов C++ ...................................................................................................185
4.1.3. Задачник PT for LINQ: общее описание и состав................................188
4.1.4. Задачник PT for STL: общее описание и состав ..................................192
4.1.5. Особенности применения задачников PT for LINQ и PT for STL .....197

4.2. Методы разработки задачников, связанных с изучением алгоритмов .....206

4.2.1. Особенности применения электронных задачников 
при изучении сложных алгоритмов................................................................206
4.2.2. Задачник по строковым алгоритмам PT for Bio ..................................208
4.2.3. Пример серии учебных заданий............................................................214
4.2.4. Изучение алгоритмов параллельного умножения матриц .................218

4.3. Методы разработки задачников по параллельному программированию.222

4.3.1. Применение электронного задачника при изучении 
технологии распределенного программирования MPI.................................222
4.3.2. Задачник PT for MPI-2: описание и пример использования ..............226
4.3.3. Особенности реализации заданий, связанных с новыми 
возможностями стандарта MPI-2....................................................................232
4.3.4. Применение электронного задачника при изучении 
многопоточного программирования...............................................................237

Заключение...............................................................................................................243

Литература................................................................................................................248

Предисловие

Одно из приоритетных направлений развития науки, технологий

и техники в Российской Федерации связано с информационно-коммуникационными технологиями. Вследствие этого разработка методов и средств, 
повышающих эффективность обучения в данной сфере, является актуальной задачей. Настоящая монография посвящена одному из подходов к решению этой задачи; в ней рассматривается ряд программных реализаций, 
выполненных автором на основе данного подхода, а также описываются 
результаты их апробации.

Тема разработки и применения электронных образовательных ресур
сов (ЭОР) весьма обширна, она детально прорабатывается на протяжении 
нескольких десятков лет — с того момента, когда развитие компьютерной 
техники и информационных, в том числе телекоммуникационных, технологий достигло уровня, обеспечивающего возможность применения этих 
технологий в школе и вузе. В настоящее время имеется огромное количество методик и инструментов разработки ЭОР самого разного уровня. Следует, однако, отметить, что специфика ряда учебных дисциплин требует 
применения особых видов ЭОР, для разработки которых, естественно, требуются и специальные средства. Примером подобных ЭОР являются электронные средства практического типа по программированию (в рамках 
школьного курса информатики и ИКТ или соответствующих базовых 
и специальных вузовских курсов). Казалось бы, для подобных дисциплин, 
непосредственно связанных с информационными технологиями, обеспечить дополнительную поддержку учебного процесса электронными средствами обучения должно быть особенно просто. На деле подавляющее 
большинство имеющихся ЭОР по информатике не учитывает специфики 
практикума по программированию и является обычными гипертекстовыми 
документами. 

Если обратиться, например, к информационной системе «Единое окно 

доступа к информационным ресурсам» (window.edu.ru) и выполнить поиск 
материалов, связанных с программированием, то будет получено более тысячи ресурсов, но при этом большинство из них будет электронными вариантами учебников, методических разработок, программ курсов, а также 
книг и статей по компьютерной тематике. Представлено большое количество сайтов различных вузов, кафедр, школ, преподавателей, on-line курсов, научных журналов, есть ссылки на электронные библиотеки учебных 
материалов и программ. Однако практически нет компьютерных систем,

Предисловие

7

непосредственно предназначенных для использования в ходе лабораторных занятий. В качестве немногочисленных исключений можно упомянуть 
сайт «Информатика-21» (http://www.inr.ac.ru/~info21/) с описанием среды 
BlackBox для языка Оберон, учебные системы программирования Pascal
ABC и PascalABC.NET и электронный задачник Programming Taskbook
(описываемый в настоящей книге).

Отмеченная проблема не может быть решена и в рамках использова
ния стандартизированных ЭОР в формате ОМС (открытых образовательных модульных мультимедиа систем). Так, практические модули в формате ОМС по программированию, представленные на сайте Федерального 
центра информационно-образовательных ресурсов (fcior.edu.ru), содержат 
либо тесты из 3–4 вопросов, либо формулировки заданий, которые требу-
ется выполнить, разработав программу во внешней среде программирования (а также, в ряде случаев, пошаговые инструкции к выполнению этих 
заданий). 

Основным электронным ресурсом, используемым при изучении про
граммирования, является сама среда программирования, в которой разрабатываются учебные программы. Однако этот ресурс существует в отрыве 
от традиционных задачников, реализованных, как было отмечено выше,
в лучшем случае в виде гипертекстовых документов. Для того чтобы ускорить и сделать более эффективным (и более интересным) процесс выполнения учебных заданий, следует интегрировать задачник в среду программирования, снабдив его дополнительными возможностями и тем самым 
превратив в электронный задачник.

Современные инструменты разработки программ развиваются очень 

быстро, и это необходимо учитывать при проектировании ЭОР. Если обучающий компонент ориентирован на конкретную систему программирования, он скоро устареет вместе с ней. Поэтому важным качеством электронного ресурса по программированию является его универсальность: возможность адаптации к новым средам разработки и даже к новым языкам. 
Эта возможность может быть обеспечена благодаря применению различных современных технологий программирования. 

В предлагаемой монографии описывается подход к созданию ЭОР, 

основанный на разработанной автором архитектуре электронного задачника и позволяющий создавать универсальные ЭОР, ориентированные 
на применение различных языков и встраиваемые непосредственно в среды программирования. В монографии подробно рассматриваются различные аспекты данной архитектуры, реализованные в ее рамках программные инструменты и электронные образовательные ресурсы (электронные 
задачники), созданные на ее основе. Следует отметить, что применение 
данных ЭОР в различных курсах (как школьного, так и вузовского уровня) 
показало их высокую эффективность и привлекательность для учащихся. 

Предисловие

8

Инструментарий и методы разработки ЭОР, описываемые в монографии, 
позволят преподавателям информатики быстро разрабатывать новые ЭОР 
практического типа по компьютерным наукам, а также более эффективно 
использовать их при проведении лабораторных занятий.

Монография предназначена для специалистов в области теории и ме
тодики профессионального образования и разработки обучающих систем, 
в том числе по следующим специальностям: 05.13.06 «Автоматизация 
и управление технологическими процессами и производствами (в образовании)» (технические науки); 13.00.08 «Теория и методика профессионального образования» (педагогические науки). Кроме того, монография 
может представлять интерес для всех школьных и вузовских преподавателей информатики.

Глава 1. Электронные задачники как основной 

вариант ЭОР практического типа

Теория и методика электронного обучения (e-learning) активно разви
вается на протяжении последнего десятилетия, и проблемы, которые она 
призвана решить, не теряют своей актуальности. Это обусловлено как развитием информационных и телекоммуникационных технологий, так 
и процессами, происходящими в сфере образования. В качестве последнего по времени фактора, связанного с электронным обучением, можно отметить появление и широкое распространение открытых on-line-курсов 
(MOOC — Massive Open Online Courses).

Технология создания электронного обучающего контента имеет до
статочно проработанную методическую базу [77; 84; 85; 89; 90; 92; 103;
104; 109; 111; 112]; наличие стандартов в сфере e-learning, в частности, 
стандарта SCORM (Sharable Content Object Reference Model) [126], позволяет обеспечить совместимость отдельных образовательных компонентов 
и возможность их многократного использования в рамках различных учебных курсов. Важную роль в развитии электронных образовательных ресурсов играют системы управления обучением; в качестве примера можно 
привести 
систему 
Moodle 
(moodle.org) 
и 
платформы 
Coursera

(www.coursera.org), Udacity (udacity.com), edX (edx.org), Stepic (stepic.org), поддерживающие MOOC. 

В то же время многие проблемы электронного обучения, связанные 

с конкретными видами образовательной деятельности, остаются открытыми. В данной главе, основанной на работе [41], обсуждаются подходы
к реализации электронных задачников, предназначенных для поддержки
проведения лабораторных работ и практикумов по программированию. 

1.1. Виды электронных задачников 

по программированию

Специфика электронных задачников (по любой дисциплине) состоит 

в том, что они, прежде всего, должны обеспечивать поддержку процесса 
выполнения учебных заданий. Кроме того, важным компонентом любого 
электронного задачника является контрольная часть, позволяющая автома