Проект интегрированной среды для обучения программированию

1.2 Технология обработки информации

Система состоит из четырех компонентов: семантического редактора, интерпретатора, модуля оценки и модуля генерации вариантов заданий. Диаграмма процесса работы автоматизированной системы представлена на рис. 1.2.

В ходе работы с модулем генерации вариантов лабораторных работ преподаватель оформляет условие задачи в виде шаблона, задает ограничения и реализует эталонное решение задачи.

Далее обучаемый выбирает лабораторную работу, получает свой вариант задания, пишет программу, периодически запуская ее на исполнение и просматривая результаты, и сдает работу на проверку. В ходе выполнения лабораторной работы модуль оценки навыка программиста следит за действиями обучаемого и выставляет балл.

Затем модуль оценки корректности программы проверяет написанную программу путем тестирования и сравнения семантического дерева обучаемого с семантическим деревом эталонной программы, ищет ошибки и выставляет итоговый балл.

Если итоговый балл не менее трех, обучаемый получает возможность перейти к следующей лабораторной работе и процесс повторяется заново.

Рис. 1.2 Диаграмма активностей системы

1.2.1 Входные и выходные данные

В систему от пользователей поступают следующие входные данные:

1.  Шаблоны заданий на лабораторные работы.

2.      Эталонные решения заданий преподавателя.

.        Решение лабораторной работы обучаемым.

.        Сохраненные файлы программ в формате XML.

Шаблоны заданий в совокупности с эталонными решениями преподавателя используются для генерации вариантов заданий и проверки лабораторной работы путем сравнения семантических деревьев.

Входные данные семантического редактора представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Входные данные семантического редактора

Выходными данными системы являются:

1.  Варианты заданий на лабораторную работу.

.    Семантическое дерево программы, которое может быть сохранено на диск в формате XML.

.    Результат выполнения лабораторной работы.

4.      Статистика за период обучения программированию.

Все выходные данные визуализируются с помощью GUI-интерфейса в удобном для пользователей виде.

1.2.2 Пользователи системы

Основными потенциальными пользователями системы являются:

·  преподаватель;

·        обучаемый (школьник, студент и т.д.).

Преподаватель подготавливает лабораторные работы путем создания шаблонов заданий лабораторных работ и реализации эталонных решений для этих заданий. Также он может просматривать статистику по обучаемым: количество выполненных лабораторных работ, оценки, график изменения навыка программиста и т.д.

Обучаемый использует систему для выполнения и сдачи лабораторных работ, а также может просматривать свою статистику.

1.2.3 Варианты использования системы

Модель вариантов использования системы представлена на рис. 1.3. Описание сценариев для каждого варианта использования системы представлено в таблицах 1.2-1.5.

Рис. 1.3. Модель вариантов использования системы

Таблица 1.2 Варианты использования семантического редактора

Таблица 1.3 Варианты использования интерпретатора

Таблица 1.4 Варианты использования модуля оценки

Таблица 1.5 Варианты использования модуля генерации вариантов заданий

Вариант использования интегрированной среды «Просмотреть статистику» позволяет и обучаемому, и преподавателю просмотреть статистику выполненных лабораторных работ и график изменения навыка программиста.

«Получить задание на лабораторную работу», «Сдать работу», «Проанализировать ошибки» совершаются последовательно, т. е. успешное выполнение каждого из них является предусловием последующего варианта использования.

На рисунке 1.4 приведена диаграмма последовательностей для варианта использования «Добавить конструкцию».

Рис. 1.4. Диаграмма последовательностей для варианта «Добавить конструкцию».

Если введено ключевое слово, происходит проверка на возможность вставки данной конструкции в текущее место. В случае если вставка корректна, происходит генерация шаблонного оператора для данной конструкции, и он вставляется в семантическое дерево программы. Если вставка невозможна, генерируется ошибка.

1.3 Информационно-логическая модель системы

На основании исследования предметной области, а также определения основных функциональных особенностей проектируемой системы можно выделить следующие сущности:

1. Обучаемый.

2.      Группа.

.        Преподаватель.

.        Задание.

.        Лабораторная работа.

Сущность «Обучаемый» содержит информацию об имени, фамилии, отчестве обучаемого, группе и имени пользователя.

Сущность «Группа» содержит информацию о названии группы.

Сущность «Преподаватель» содержит информацию об имени, фамилии, отчестве преподавателя и его имени пользователя.

Сущность «Задание» содержит информацию о теме лабораторной работы, номере, шаблоне условия и эталонном семантическом дереве.

Сущность «Лабораторная работа» содержит информацию об авторе, задании, варианте условия и варианте эталонного дерева, полученной оценке и балле навыка программиста.

На основании исследования семантического редактора и интерпретатора системы можно выделить следующие сущности:

6.  Поле семантического редактора.

7.      Презентер.

.        Семантическое дерево.

.        Словарь.

.        Интерпретатор.

11._______________________________________________________ Память:

·  куча;

·        стек.

12._______________________________________________________ Анализатор выражений.

13.    Оператор и его виды:

·  модуль;

·        функция;

·        процедура;

·        переменная;

·        константа;

·        массив;

·        вызов функции;

·        присвоение;

·        условие;

·        иначе;

·        цикл;

·        возврат из функции;

·        группа;

·        пустой оператор.

Сущность «Поле семантического редактора» содержит информацию о семантических конструкциях, порядке их следования и форматировании, а также методы редактирования текста.

Сущность «Презентер» содержит методы проверки корректности вставки и удаления элементов семантического поля и методы вставки, редактирования и удаления семантических конструкций.

Сущность «Семантическое дерево» содержит информацию о коренном узле (модуле) и методы поиска, вставки, удаления, редактирования и замены оператора или группы операторов.

Сущность «Словарь» содержит словари ключевых слов, встроенных типов и значений по умолчанию, используемых семантическим редактором.

Сущность «Интерпретатор» содержит информацию о текущем интерпретируемом операторе и методы передачи управления при ветвлении, цикле и вызове функции. Сущность «Память» содержит информацию об объявленных переменных, методы создания, чтения, записи и удаления объектов. Данная сущность является абстрактной и от нее наследуются сущности «Куча» и «Стек». «Куча» является глобальной областью памяти, формируемой в процессе объявления объектов и очищаемой в конце работы программы. «Стек» является локальной областью памяти и создается заново для каждого вызова функции.

Сущность «Анализатор выражений» содержит методы синтаксического разбора выражений.

Сущность «Оператор» содержит информацию обо всех элементах оператора, мета данные и методы интерпретации и клонирования. Далее от этой сущности наследуются все возможные операторы, при необходимости переопределяя методы интерпретации и клонирования.

Диаграмма «сущность-связь» (entity-relationship) представлена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Диаграмма «сущность-связь» (ERD).

1.3.1 Структура и содержание входных и выходных данных

1.3.1.1 Сохраненное семантическое дерево программы в формате XML

Корневым элементом XML файла является модуль:

<модуль атрибуты>

</модуль>

Все остальные операторы представляются в виде XML-элементов и вкладываются в корневой элемент и друг в друга согласно порядку в семантическом дереве. Названием элемента считается ключевое слово, а все остальные элементы сохраняются в виде атрибутов.

Пример XML файла для алгоритма пузырьковой сортировки:

<?xml version="1.0" encoding="utf-16"?>

<модуль NameWord="ПузырьковаяСортировка">

<константа Type="целое" Expression="10" NameWord="размер"></константа>

<массив Type="целое" NameWord="а" Size="размер"></массив>

<пустая_строка></пустая_строка>

<функция Type="логическое" Expression="" NameWord="ИнициализацияМассива">

<переменная Type="целое" NameWord="и"></переменная>

<присвоить Left="и" Expression="0"></присвоить>

<цикл Expression="и &lt; 10" BodyWord="и &lt; 10">

<присвоить Left="а[и]" Expression="Рандом(0, 50)"></присвоить>

<вывести Expression="стр(а[и]) + &quot; &quot;"></вывести>

<присвоить Left="и" Expression="и + 1"></присвоить>

</цикл>

<вывести Expression="&quot;\n&quot;"></вывести>

</функция>

<пустая_строка></пустая_строка>

<процедура Expression="" NameWord="Сортировка">

<переменная Type="целое" NameWord="и"></переменная>

<переменная Type="целое" NameWord="ж"></переменная>

<присвоить Left="и" Expression="0"></присвоить>

<цикл Expression="и &lt; 10" BodyWord="и &lt; 10">

<присвоить Left="ж" Expression="и + 1"></присвоить>

<цикл Expression="ж &lt; 10">

<если Expression="а[и] &gt; а[ж]">

<переменная Type="целое" NameWord="временная"></переменная>

<присвоить Left="временная" Expression="а[ж]"></присвоить>

<присвоить Left="а[ж]" Expression="а[и]"></присвоить>

<присвоить Left="а[и]" Expression="временная"></присвоить>

</если>

<присвоить Left="ж" Expression="ж + 1"></присвоить>

</цикл>

<присвоить Left="и" Expression="и + 1"></присвоить>

</цикл>

</процедура>

<пустая_строка></пустая_строка>

<процедура Expression="" NameWord="Распечатать">

<переменная Type="целое" NameWord="и"></переменная>

<присвоить Left="и" Expression="0"></присвоить>

<цикл Expression="и &lt; 10 ">

<вывести Expression="стр(а[и]) + &quot; &quot;"></вывести>

<присвоить Left="и" Expression="и + 1"></присвоить>

</цикл>

</процедура>

<пустая_строка></пустая_строка>

<процедура Expression="" NameWord="Главная">

<вызвать Expression="ИнициализацияМассива()"></вызвать>

<вызвать Expression="Сортировка()"></вызвать>

<вызвать Expression="Распечатать()"></вызвать>

</процедура> </модуль>

1.3.1.2 Шаблон задания на лабораторную работу

Шаблон задания представляет собой список параметров, заключенных между знаками '<' и ‘>’. Например, шаблон <type_variable> характеризует тип переменной, генерируемой программой, а шаблон <size, begin, end> означает генерацию целого положительного числа в интервале [begin; end].

Пример шаблона задания для темы «Функции»:

Написать программу для нахождения значения цепочно-заданной функции:
f(x) = { <FUNCTION>, x меньше <NUMBER, begin, end>; <FUNCTION>, x >= <SIZE, begin, end> }. Переменная x <TYPE_VARIABLE> типа и следует задать её с помощью <TYPE_INPUT>.

1.3.2 Процесс обработки информации

Процесс обработки информации разделяется на следующие этапы:

1.  Запустить процесс генерации варианта задания на основе выбранной обучаемым темы и получить в результате конкретное условие и эталонное дерево.

2.      Запустить процесс проверки лабораторной работы путем тестирования, проверки ограничений и сравнения семантических деревьев и получить в результате решение о корректности решения.

3.  В случае некорректности решения выдать обучаемому уведомления о допущенных ошибках.

4.      В случае корректности решения вычислить итоговый балл и записать информацию и выполнении лабораторной работы в базу данных.

1.3.3 Требования к интерфейсу пользователя

Пользовательский интерфейс с системой должен быть реализован в виде стандартной оконной программы под ОС Microsoft Windows. Основное внимание следует уделить визуализациям семантической модели и проекта программы, списка ошибок, имитатора консоли. В частности, необходимо реализовать следующие визуализации:

1.  Визуализация семантического дерева в виде структурированного текста с автоматическим табулированием операторов и подсветкой синтаксиса элементов операторов. Необходимо иметь возможность вставки пустого оператора, ввода ключевого слова, редактирования выражений, удаления всех элементов оператора, перемещения между элементами оператора, копирования и вставки операторов, отмены и наката изменений.

.    Визуализация в виде дерева структуры проекта программы. Реализовать возможность добавления, удаления, переименования и перемещения файлов и папок проекта. Для каждого узла дерева использовать пояснительную иконку.

.    Визуализация в виде таблицы ошибок семантического редактора. Таблица должна содержать название ошибки, описание, название файла, номер строки и столбца. Реализовать возможность навигации по ошибкам семантического редактора путем выбора соответствующей строки в таблице ошибок. При этом ошибки в семантическом редакторе должны быть выделены маркером, а также красным цветом или подчеркнуты красной волнистой линией. Визуализация имитатора консоли в виде многострочного тестового поля, выводящего данные программы, а также осуществляющего ввод данных с клавиатуры.

1.4 Требования к техническому и программному обеспечению

Требования к техническому обеспечению:

x86-совместимый процессор с тактовой частотой не ниже 1 GHz;

оперативная память объемом не менее 256 MB;

монитор SVGA (предпочтительнее широкоформатный);

клавиатура;

мышь.

Требования к программному обеспечению: операционная система Microsoft Windows 2000/XP/2003/Vista/7; программная платформа Microsoft .NET Framework 4.0.

2. Рабочий проект

2.1 Общие сведения о работе системы

Система состоит из нескольких файлов, описание основных приведено в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Файлы, составляющие систему

Требования к техническому обеспечению:

x86-совместимый процессор с тактовой частотой не ниже 1 GHz;

оперативная память объемом не менее 256 MB;

монитор SVGA (предпочтительнее широкоформатный);

клавиатура;

мышь.

Требования к программному обеспечению:

операционная система Microsoft Windows 2000/XP/2003/Vista/Seven;

программная платформа Microsoft .NET Framework 4.0.

Разработка данного проекта выполнялась на языке программирования C# с помощью следующих программных продуктов:

интегрированная среда разработки Microsoft Visual Studio 2010 Ultimate;

программная платформа Microsoft .NET Framework 4.0;

среда для дизайна интерфейсов Microsoft Expression Blend 4;

клиент для работы с репозитарием исходного кода TortoiseHG 2.0.5;

текстовый редактор с подсветкой исходного кода Notepad++ 5.9.

2.2 Функциональное назначение

Система обладает следующими функциональными возможностями:

загрузка программы:

валидация XML файла;парсинг во внутренний формат программы;

сохранение программы в формате XML.

выполнение программы интерпретатором;

анализ семантических ошибок;

анализ ошибок времени выполнения;

добавление конструкции:

проверка на корректность вставки;

автоматическое табулирование текста

удаление конструкции;

удаление оператора целиком;

замена оператора его телом.

редактирование выражений:

определение типа выражения;

валидация выражения;

автоматическая табуляция выражения.

выбор языка:

русский язык;

английский язык.

Для использования исполняемого модуля системы пользователю необходимо разместить относящиеся к системе файлы в какой-либо папке на жестком диске своего компьютера. Если на компьютере пользователя еще не установлена платформа Microsoft .NET Framework 4.0, то ее необходимо установить. Она доступна для свободной загрузки с официального сайта компании Microsoft по адресу: <#"551733.files/image011.jpg">

Рис 2.1. Структура базы данных.

В табл. 2.2-2.6 приведено описание таблиц используемой базы данных.

Таблица 2.2 Таблица ГРУППА