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

Глава 1. Электронные задачники как основной вариант ЭОР практического типа

10

тизировать проверку правильности решения. В данном разделе мы проанализируем имеющиеся виды электронных задачников по программированию, а также платформы, на базе которых они реализованы.

1.1.1. Гипертекстовые задачники

Простейшим вариантом электронного задачника может служить ги
пертекстовая система, содержащая теоретический материал, формулировки задач, указания по их выполнению со ссылками на соответствующие 
разделы теории, примеры решений типовых задач. 

Задачники такого вида могут быть подготовлены по любой дисципли
не; при этом, если ответы задач могут быть представлены в числовой, 
формульной или текстовой форме, то для контроля правильности решения 
достаточно предлагать учащемуся ввести полученный ответ (или выбрать 
его из предложенных вариантов). Однако для задач по программированию, 
решение которых должно быть представлено в виде компьютерной программы, такой способ проверки невозможен. Тем не менее имеется ряд 
реализаций электронных задачников такого типа, реализованных как в локальном (в виде гипертекстового приложения) [81], так и в сетевом варианте (в виде сайта) [113].

Если подобные задачники по программированию содержат контроль
ную часть, то она относится лишь к тому классу задач, ответы к которым 
не требуют составления программы. Указанный вид задачников, несомненно, может применяться при обучении, но его нельзя отнести к полноценному интерактивному образовательному ресурсу, поскольку он не предоставляет поддержки при разработке программ, а также не обеспечивает 
автоматической проверки их правильности.

1.1.2. Задачники, встроенные в учебные среды 

программирования

Учебные среды программирования обычно ориентированы на началь
ный курс информатики [117]. Подобная ориентация естественно предполагает включение в среду специальных обучающих компонентов, и прежде 
всего электронных задачников. 

Однако в программных средах, рассчитанных на младших школьни
ков (например, в системе Scratch с «графическим» языком программирования или системе ЛогоМиры, базирующейся на исполнителе «Черепашка»), 
такой компонент отсутствует. В системе Исполнители [98] автоматическая 
проверка правильности реализована только для задач, связанных с исполнителем Робот, хотя встроенный в систему язык поддерживает все базовые 
управляющие конструкции и может использоваться для разработки программ, не связанных с исполнителями.

1.1. Виды электронных задачников по программированию

11

В широко известной системе КуМир [106], методически поддержан
ной большим числом учебников и пособий и ориентированной на применение в средних и старших классах общеобразовательной школы, также 
отсутствует подсистема, позволяющая выбрать какое-либо задание 
из имеющегося набора, запрограммировать его решение и автоматически 
проверить правильность. 

Впрочем, в системе предусмотрена возможность создавать такие за
дания. Каждое задание должно оформляться в виде отдельного файла, содержащего заготовку решения и набор тестов, который обычно скрывается 
от учащегося. Программа учащегося может запускаться в двух режимах:
обычном, при котором учащийся может вводить исходные данные, выводить результаты и тем самым самостоятельно тестировать программу, 
и режиме тестирования, при котором проверяется только тот фрагмент 
программы, который содержит собственно алгоритм решения (данный 
фрагмент обязательно должен оформляться в виде функции). Поскольку 
тестированию подвергается не вся программа, а лишь ее часть, возможны 
ситуации, при которых неверная в целом программа успешно пройдет автоматическое тестирование. Кроме того, сообщение о неудачном тестировании не содержит никакой информации, помогающей обнаружить ошибку. Таким образом, несмотря на возможность реализации в среде КуМир 
электронного задачника, полученное средство не позволит обеспечить какую-либо дополнительную поддержку процесса выполнения заданий. 

Еще одним примером учебной среды, упомянутой в [117], является 

среда ALGO, использующая в качестве языка программирования не специальный учебный язык (как в описанных выше средах), а один из вариантов 
языка Pascal. В данной среде электронный задачник также отсутствует.

В целом можно сделать вывод, что в большинстве учебных сред про
граммирования электронные задачники не реализованы или реализованы 
на уровне, недостаточном для эффективного использования на практических занятиях по информатике. 

Следует также отметить, что привязка электронного задачника к опре
деленной учебной среде сужает сферу его применения, поскольку не позволяет использовать задачник совместно с другими языками или средами 
программирования.

1.1.3. Сетевые тестирующие системы 

и основанные на них сервисы

В качестве электронных задачников могут использоваться сетевые 

сервисы автоматической проверки программ. Среди распространенных 
тестирующих систем, на базе которых могут создаваться подобные сервисы, следует отметить PC2 (pc2.ecs.csus.edu), ejudge (ejudge.ru), Contester 
(contester.ru). В качестве примеров самих сетевых сервисов можно указать 

Глава 1. Электронные задачники как основной вариант ЭОР практического типа

12

следующие: Timus Online Judge — «Архив задач с проверяющей системой» 
(Уральский федеральный университет, acm.timus.ru), «Школа программиста» 
(Красноярск, acmp.ru) [78], «Портал обучения информатике и программированию» (Саратовский государственный университет, school.sgu.ru) [88]. 

Все сетевые тестирующие сервисы работают по примерно одинаковой 

схеме. Выбрав задачу для выполнения, учащийся разрабатывает программу на любом из доступных для данного сервиса языков; при этом используется среда программирования, установленная на компьютере учащегося. 
В программе должен быть реализован консольный ввод-вывод (или ввод из 
специального текстового файла input.txt и вывод в файл output.txt); формат 
входных и выходных данных определяется в условии задачи. Для проверки 
правильности программы учащийся должен переслать на сервер тестирующей системы текст своей программы. На сервере программа компилируется и проверяется на предварительно подготовленном наборе тестовых 
данных (хранящихся на сервере и недоступных для учащихся). В зависимости от результатов компиляции и тестирования учащийся получает либо 
сообщение о том, что задание выполнено, либо один из видов сообщений 
об ошибке (ошибка компиляции, неудача при прохождении теста с некоторым номером, превышение лимита времени или размера использованной 
оперативной памяти). Вся информация о ходе решения задачи сохраняется 
на сервере и доступна как для учащегося, так и для преподавателя. 

Задачники такого вида обычно включают обширные коллекции задач, 

допускающие группировку по теме и сложности (например, в системе 
Timus содержится 1100 задач, в системе «Школа программиста» — 700 задач). Однако сравнительно высокий («олимпиадный») уровень большинства задач и, как следствие, отсутствие однотипных задач примерно одинаковой сложности затрудняют использование данных коллекций на лабораторных занятиях. Такая ситуация обусловлена изначальной ориентацией 
описываемых сетевых сервисов на проведение олимпиад по программированию и подготовку участников этих олимпиад [86; 108].

Что же касается уровня поддержки процесса решения задачи, то его 

для данных систем следует оценить как достаточно низкий. Подготовка 
программы, в том числе организация действий по вводу-выводу, должна 
выполняться учащимся на локальном компьютере без какого-либо взаимодействия с тестирующей системой; никакие средства ускорения разработки 
программы не предусмотрены. Действия по подготовке текста программы 
к пересылке на сервер требуют выхода из среды программирования, сама 
процедура пересылки решения и его тестирования на сервере может занимать достаточно много времени (которое зависит от текущей загруженности сервера). Информация об ошибочном решении является очень скудной; в частности, нельзя ознакомиться с данными того теста, который выявил ошибку. Все эти особенности работы с тестирующими сервисами