Комп'ютерний навчальний засіб для практичного освоєння проектування систем управління за методом СОМЕТ

1. КОМП'ЮТЕРНИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАСІБ ДЛЯ ПРАКТИЧНОГО ОСВОЄННЯ ПРОЕКТУВАННЯ СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ ЗА МЕТОДОМ СОМЕТ. ЧАСТИНА 1. МОДЕЛЬ

ПРОЕКТУВАННЯ
Керівник магістерської кваліфікаційної роботи:
к.т.н., доцент Папінов В.М.
Розробив: студент гр. АКІТ-17м з/в Паук О.М.

2.

2
Актуальність роботи
Робота присвячена вдосконаленню засобів електронної підтримки навчального
процесу підготовки у вищих навчальних закладах фахівців технічних спеціальностей.
Мета дослідження
Створення електронного освітнього ресурсу у вигляді комп’ютерного навчального
засобу, який би був інтегрований в існуючий навчальний процес спеціальності 151
"Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології" і ефективно підтримував як
аудиторне, так і самостійне практичне освоєння студентами процесу проектування
систем управління за методом СОМЕТ.
Для досягнення мети вирішуються такі задачі:
- аналіз сучасної проблеми електронної підтримки навчання фахівців технічних спеціальностей;
- дослідження процесу розробки за методом СОМЕТ моделі проектування автоматичної системи
управління;
- визначення технічних та педагогічних вимог до комп’ютерного навчального засобу на основі його
співставлення з аналогічними розробками;
- створення дидактичного забезпечення для тренувальної розробки моделі проектування АСУ;
- обґрунтування та розробка сценарію навчальної гри для комп’ютерного навчального засобу;
- вибір та обґрунтування програмного інструментального середовища реалізації сценарію навчальної гри
комп’ютерного навчального засобу;
- проектування програмного забезпечення комп’ютерного навчального засобу;
- розробка окремих програмних модулів комп’ютерного навчального засобу.

3.

3
Об’єкт дослідження: навчальний процес підготовки у вищому
технічному навчальному закладі фахівців з автоматизації та комп’ютерноінтегрованих технологій. Такий об’єкт досліджень зазвичай вивчається в
рамках наукової дисципліни "Інженерна педагогіка".
Предмет дослідження: підвищення ефективності практичного
освоєння студентами процесу проектування систем управління реального
часу, заснованого на методі СОМЕТ, за рахунок використання у
навчальному процесі електронного навчального ресурсу у вигляді
комп’ютерного навчального засобу, інтегрованого в існуючий навчальний
процес спеціальності.
Основні наукові методи аналіз, синтез, аналогія. Крім того, в ході
досліджень застосовувались елементи таких теоретичних методів, як
абстрагування, узагальнення, класифікація, індукція.
Наукова новизна отриманих результатів дослідження полягає в тім,
що на відміну від існуючих комп’ютерних навчальних засобів, новий засіб
інтегрується у багатофункціональну комп’ютеризовану лабораторію
промислової мікропроцесорної техніки, що підвищує ефективність
практичного освоєння студентами методу проектування СОМЕТ за
рахунок того, що при такій інтеграції в ході навчального процесу студенти
можуть суміщати покрокове проектне моделювання на навчальному засобі
з програмною реалізацією проектованої системи управління у
комп’ютеризованій лабораторії.

4.

4
Практичне значення отриманих результатів: програмні рішення
комп’ютерного навчального засобу на основі розповсюдженого офісного
додатка можуть бути покладені в основу програми-конструктора (системиоболонки) комп’ютерних навчальних засобів аналогічного призначення, що
значно полегшить для викладачів вищої школи процес самостійної
розробки дешевих та ефективних комп’ютерних навчальних засобів
різноманітної тематики, а також сприятиме ще більш широкому
розповсюдженню у вузах електронної підтримки навчального процесу
Апробація результатів дослідження: основні результати виконання
магістерської кваліфікаційної роботи опубліковані в матеріалах щорічної
регіональної
науково-практичної
Інтернет-конференції
студентів,
аспірантів та молодих науковців «Молодь в науці: дослідження, проблеми,
перспективи» (Вінниця, ВНТУ, 2019 р.).

5.

5
Стандартний процес розробки за методом СОМЕТ
Модель проектування

6.

6
Методика використання комп’ютерного
тренажера у навчальному процесі
(з частини 1 МКР)
Вдосконалена фізична модель ліфта

7.

7
Модель освоєння навчального матеріалу в ході тренування
0
1.1
1.2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Задачі розробки
моделі аналізу
2.6
2.7
2.8
3.3
3.5
3.2
3.1
3.4
3.6
Задачі розробки моделі
проектування
3.7
2.9
Для етапу проектування АСУ ліфта,
виходячи з рекомендацій методу СОМЕТ,
необхідно
виконувати
такі
окремі
тренувальні задачі:
- задача 3.1 – "Розбивка АСУ ліфта на
підсистеми" (виконується на основі
результатів моделювання задач 2.8 та 2.9);
- задача 3.2 – "Розбивка АСУ на окремі
задачі" (виконується на основі результатів
моделювання задач 2.4, 2.5, 2.6 та 2.7);
- задача 3.3 – "Визначення інтерфейсів
задач" (виконується на основі результатів
моделювання задачі 3.2);
- задача 3.4 – "Проектування класу
абстрагування даних" (виконується на
основі результатів моделювання задачі
3.2);
- задача 3.5 – "Проектування класів, що
приховують інформацію" (виконується на
основі результатів моделювання задачі
2.3);
- задача 3.6 – "Детальне проектування
програми АСУ" (виконується на основі
результатів моделювання задач 3.2 та 3.3);
- задача 3.7 – " Конфігурування цільової
системи"
(виконується
на
основі
результатів моделювання задач 3.1 та 3.6).

8.

8
Дидактичне забезпечення комп’ютерного тренажера
Розбивка АСУ на підсистеми

9.

9
Дидактичне забезпечення комп’ютерного тренажера
„зовнішній
пристрій
введення”
:ДатчикПрибуття
Введення від
Датчика
Прибуття
„підсистема”
: Підсистема
Поверху
„зовнішній
пристрій
виведення”
:ЛампочкаЛіфту
:Мотор
Виведення
на Лампочку
Ліфту
Команда Лампочці Поверху,
Команда Лампочці
Напрямку
„підсистема управління”
:ПідсистемаЛіфту
„зовнішній
пристрій
виведення”
„інтерфейс пристрою
виведення”
: ІнтерфейсЛампочки
Ліфту
„таймер”
: ТаймерДверей
Запустити
Таймер
Таймаут
Команда
Мотору
„інтерфейс пристрою
виведення”
: ІнтерфейсМотору
Нагору
Виключити
Лампочку
Донизу
Ліфту
Стоп
„інтерфейс пристрою
введення”
: ІнтерфейсДатчика
Прибуття
„залежний від стану
керуючий об’єкт”
: УправлінняЛіфтом
Наближається
до
Поверху
(Поверх#)
Наступний
Поверх
Призначення
Нагору,
Донизу
Перевірити
Наступний
Поверх
Призначення
Перевірити цей
Поверх
(Поверх#)
Наближається
до Потрібного
Поверху
Прибув
(Поверх#)
Підтвердити
Відбув
(Поверх#)
„координатор”
: ДиспетчерЛіфту
Запит
Ліфту
„інтерфейс пристрою
введення”
: ІнтерфейсКнопкиЛіфту
Обновити
„сутність”
: СтанІПланРуху
Ліфту
Запит
Планувальника
Відповідь
Мотору
Ліфт
Поїхав
Ліфт
Зупинився
Зачинити
Двері
Двері
Зачинені
Відчинити
Двері
Двері
Відчинені
„інтерфейс
пристрою
виведення”
: Інтерфейс
Дверей
Прибув
(Поверх#)
Відбув
(Поверх#)
Команда
Дверей
Відповідь
Дверей
Зобов’язання
Ліфту
Запит від Кнопки Ліфту
„зовнішній
пристрій
введення”
:КнопкаЛіфту
„підсистема”
: Планувальник
„зовнішній
пристрій
виведення”
:Двері
Структура об’єкту "Підсистема Ліфту"

10.

10
Дидактичне забезпечення комп’ютерного тренажера
„підсистема збирання даних”
:ПідсистемаПоверху
„зовнішній
пристрій
введення”
Запит від
Кнопки
Поверху
:КнопкаПоверху
„підсистема
збирання
даних”
Виведення на
Лампочку
Поверху
:Лампочка
Поверху
„зовнішній
пристрій
виведення”
:Лампочка
Напрямку
Виведення на
Лампочку
Напрямку
„інтерфейс пристрою
введення”
: ІнтерфейсКнопки
Поверху
„інтерфейс пристрою
виведення”
: ІнтерфейсЛампочки
Поверху
„інтерфейс пристрою
виведення”
: ІнтерфейсЛампочки
Напрямку
Запит на
Обслуговування
„підсистема”
:Планувальник
Команда
Лампочці
Поверху
„підсистема”
:Підсистема
Ліфту
Команда
Лампочці
Напрямку
Структура об’єкту "Підсистеми Поверху"

11.

11
Дидактичне забезпечення комп’ютерного тренажера
„зовнішній
пристрій
виведення”
„зовнішній
пристрій
виведення”
:ЛампочкаПоверху
:Мотор
D2а.1: Виведення
на Лампочку
Поверху
„координатор”
: Планувальник
„інтерфейс пристрою
виведення”
: ІнтерфейсЛампочки
Поверху
D8: Відповідь
Мотору
D10а: Відбув
(Поверх#)
D2а: Виключити
Лампочку
Поверху
D7: Запустити
Мотор
„інтерфейс пристрою
виведення”
: ІнтерфейсМотору
„зовнішній
пристрій
виведення”
D6: Нагору
:Двері
D9: Команда
Зачинити
Двері
„інтерфейс пристрою
виведення”
: ІнтерфейсЛампочки
Напрямку
D6а.1: Виведення
на Лампочку
Напрямку
„зовнішній
пристрій
виведення”
:ЛампочкаНапрямку
„залежний від стану
керуючий об’єкт”
: УправлінняЛіфтом
D6a: Виключити
Лампочку
Напрямку
D1: Запит
Нагору
D4: Відповідь
Двері
D5: Двері
Зачинені
D10: Відбув
(Поверх#)
„сутність”
: СтанІПланРухуЛіфту
D2: Зачинити
Двері
„інтерфейс пристрою
виведення”
: ІнтерфейсДверей
Діаграма кооперації для
прецеденту “Відправити Ліфт”

12.

12
Дидактичне забезпечення комп’ютерного тренажера
„інтерфейс пристрою виведення”
ІнтерфейсМотору
+ ініціалізувати ()
+ стоп (out зупинений)
+ нагору (out пішов)
+ донизу (out пішов)
„інтерфейс пристрою виведення”
ІнтерфейсЛампочкиЛіфту
+ ініціалізувати ()
+ виключити ()
„інтерфейс пристрою виведення”
ІнтерфейсЛампочкиПоверху
+ ініціалізувати ()
+ виключити ()
„інтерфейс пристрою виведення”
ІнтерфейсДверей
„інтерфейс пристрою виведення”
ІнтерфейсЛампочкиНапрямку
+ ініціалізувати ()
+ включити ()
+ виключити ()
„інтерфейс пристрою введення”
ІнтерфейсКнопкиПоверху
+ ініціалізувати ()
+ читати (out введенняВідКнопки)
„інтерфейс пристрою введення”
ІнтерфейсКнопкиЛіфту
+ ініціалізувати ()
+ читати (out введенняВідКнопки)
„інтерфейс пристрою введення”
ІнтерфейсДатчикаПрибуття
Класи інтерфейсу пристроїв
+ ініціалізувати ()
+ відчинити (out відчинена)
+ зачинити (out зачинена)
+ ініціалізувати ()
+ читати (out введенняВідДатчика)

13.

13
Дидактичне забезпечення комп’ютерного тренажера
receive
(out повідомлення
Контролера)
„таймер”
: ТаймерДверей
send
(повідомлення
ПроСтан
Ліфту)
send
(повідомлення
Лампочці
Поверху)
send
(повідомлення
Лампочці
Напрямку)
стоп (out зупинений)
старт (out пішов)
„інтерфейс пристрою
виведення”
: ІнтерфейсМотору
команда
Мотору
(out
відповідь
Мотору)
запуститиТаймер
(out тайм-аут)
„координатор”
: Координатор
Ліфту
відчинити (out відчинена)
зачинити (out зачинена)
виключитиЛампочку
Ліфту (поверх#)
обробитиПодію
(in подію, out дію)
„інтерфейс пристрою
виведення”
: ІнтерфейсЛампочки
Ліфта
„залежний від стану
керуючий об’єкт”
: УправлінняЛіфтом
перевірити НаступнийПоверх
Призначення
(in ліфт#, out напрямок),
перевіритиЦейПоверх (in
ліфт#, in поверх#, out
станПоверху,out напрямок),
прибув (ліфт#, поверх#,
напрямок),
відбув (ліфт#, поверх#,
напрямок)
„інтерфейс пристрою
виведення”
: ІнтерфейсДверей
команда
Дверям (out
Відповідь
Дверей)
„угруповання за
управлінням”
:КонтролерЛіфту
виведенняНаЛампочкуЛіфту
Детальний проект задачі
“Контролер Ліфту”

14.

14
Дидактичне забезпечення комп’ютерного тренажера
:ПідсистемаЛіфту
{1 вузол на кожний ліфт}
„локальна мережа”
:ПідсистемаПоверху
{1 вузол на кожний поверх}
:Планувальник
{1 вузол}
Діаграма розгортання розподіленої системи управління

15.

15
Розробка сценарію навчальної гри
Загальний принцип відтворення процесу розробки моделі проектування в комп’ютерному тренажері

16.

16
Студент
Тренажер
Розробка сценарію
навчальної гри
(з частини 1 МКР)
Наочне представлення умов
вибраної задачі моделювання
Розроблення моделі
Надання теоретичної та
практичної допомоги
Оцінювання результату
моделювання
Узагальнена модель діалогу
(сценарій) для окремої задачі
методу СОМЕТ
[повторити]
[закінчити]
Створення умов
когнітивної діяльності
студента

17.

17
Розробка сценарію
навчальної гри
Деталізована модель діалогу (сценарій) для
окремої задачі проектного моделювання

18.

18
Архітектура програмної реалізації сценарію
Процес відображення моделі аналізу АСУ
у модель проектування
Навчальний процес відображення предметної області та
моделі аналізу АСУ у модель проектування

19.

Початок
19
Алгоритмічне
забезпечення
комп’ютерного
тренажера
Виведення тексту умов задачі
Так
Демонстрація предметної
ситуації?
Мінімальн
ий
ступінь
розгортан
ня
практичної
допомоги
Слайди навчальної
інформаційної моделі
тренажера
Слайд №1
Ні
Виведення мультимедійного
представлення та моделі аналізу
Слайд №2
Множинний вибір об’єктів предметної
ситуації
Ні
Слайд №3
Вибір зроблений?
Так
Оцінювання результату
Слайд №4
Ні
Вибір правильний?
Так
Визначення зв’язку між парою об’єктів
№1
Слайд №5
Ні
Зв’язок визначений?
Так
Визначення зв’язку між парою об’єктів
№2
Слайд №6
Ні
Зв’язок визначений?
Так
. . .
. . .
Схема програми для реалізації
ускладненої тренувальної задачі з
розробки UML-моделі проектування
Визначення зв’язку між парою об’єктів №
N
Слайд № N+4
Ні
Зв’язок визначений?
Так
1

20.

1
20
Так
Алгоритмічне
забезпечення
комп’ютерного
тренажера
Слайд № N+5
Оцінювання результату
Ні
Повторити визначення
зв’язків?
3
2
Так
Середній
ступінь
розгортання
практичної
допомоги
Виведення тексту опису предметної
ситуації з неявними підказками
Слайд № N+6
Так
Демонстрація предметної
ситуації?
Ні
Виведення мультимедійного
представлення та моделі аналізу
Слайд № N+7
Переглянути текстовий опис?
Так
3
Ні
Визначення зв’язку між парою об’єктів
№1
Слайд № N+8
Ні
Зв’язок визначений?
Так
Визначення зв’язку між парою об’єктів
№2
Слайд № N+9
Ні
Зв’язок визначений?
Так
. . .
. . .
Схема програми для реалізації
ускладненої тренувальної задачі з
розробки UML-моделі проектування
Визначення зв’язку між парою об’єктів №
N
Ні
Зв’язок визначений?
Так
4
Слайд № 2N+7

21.

4
21
Алгоритмічне
забезпечення
комп’ютерного
тренажера
Оцінювання результату
Слайд № 2N+8
Ні
Повторити визначення
зв’язків?
5
2
Так
Максимальни
й ступінь
розгортання
практичної
допомоги
Виведення тексту опису предметної
ситуації з неявними підказками
Слайд № 2N+9
Так
Демонстрація предметної
ситуації?
Ні
Виведення мультимедійного
представлення та моделі аналізу
Слайд № 2N+10
Переглянути текстовий опис?
Так
5
Ні
Визначення зв’язку між парою об’єктів
№1
Слайд № 2N+11
Ні
Зв’язок визначений?
Так
Визначення зв’язку між парою об’єктів
№2
Слайд № 2N+12
Ні
Зв’язок визначений?
Так
. . .
. . .
Схема програми для реалізації
ускладненої тренувальної задачі з
розробки UML-моделі проектування
Визначення зв’язку між парою об’єктів №
N
Ні
Зв’язок визначений?
Так
6
Слайд № 3N+10

22.

6
22
Алгоритмічне
забезпечення
комп’ютерного
тренажера
Оцінювання результату
Слайд № 3N+11
Можна продовжувати
тренування?
Ні
2
Так
7
Складання UML-моделі у візуальному
режимі
Переглянути
останній варіант вибраних
зв’язків?
Ні
Переглянути
текстовий опис предметної
ситуації?
Ні
Так
Виведення послідовно слайдів
№№ 2N+11...3N+10
Так
Виведення слайду № 2N+9
Слайд № 3N+12
Переглянути
мультимедійне представлення?
Ні
Так
Виведення слайду № 2N+10
Так
Допомога по UML?
Ні
Модель готова?
Виконання файлу допомоги
з UML
Ні
7
Так
Оцінювання результату
Схема програми для реалізації
ускладненої тренувальної задачі з
розробки UML-моделі проектування
Продовжити тренування?
2
Так
Слайд № 3N+13
7
Ні
Підведення підсумку тренування
Кінець
Слайд № 3N+14

23.

23
Програмна реалізація комп’ютерного тренажера
Конструкція власних прапорців і перемикачів

24.

24
Програмна реалізація комп’ютерного тренажера
UML-модель, що
розробляється на
тренажері
Зовнішній вигляд слайду з завданням на множинний вибір об’єктів
предметної ситуації

25.

25
Програмна реалізація комп’ютерного тренажера
UML-модель, що
розробляється на
тренажері
Зовнішній вигляд слайду з завданням на єдиний вибір при визначенні зв’язку між об’єктами

26.

26
Програмна реалізація комп’ютерного тренажера
UML-модель, що
складається на тренажері
Зовнішній вигляд слайду завдання з
візуального складання UML-діаграми моделі
проектування

27.

27
ВИСНОВКИ
В результаті виконання магістерської кваліфікаційної роботи:
• виявлена існуюча проблема електронної підтримки навчання фахівців технічних
спеціальностей;
• досліджений процес розробки за методом СОМЕТ моделі проектування автоматичної
системи управління;
• визначені технічні та педагогічні вимоги до нового комп’ютерного навчального засобу;
• розроблена модель освоєння навчального матеріалу в ході тренування;
• розроблене дидактичне забезпечення комп’ютерного навчального засобу;
• розроблений сценарій навчальної гри для комп’ютерного навчального засобу;
• вибране програмне інструментальне середовище для реалізації сценарію;
• спроектовано алгоритмічне забезпечення комп’ютерного навчального засобу;
• виконана програмна реалізація основних функцій комп’ютерного навчального засобу.
В економічному розділі доведена економічна ефективність впровадження в вузі
комп’ютерного навчального засобу.