Управление хранением и обработкой информации в образовательных средах дистанционного обучения

А. Н. Пупков
Р. Ю. Царев
Д. В. Капулин

Монография

Институт управления бизнес-процессами и экономики

уПРАВлеНие хРАНеНием
и обРАботКой иНфоРмАЦии
В обРАзоВАтельНых сРеДАх
ДистАНЦиоННого обучеНия

Предложен новый подход к повышению качества управления обменом, обработкой и 
хранением информации в дистанционных 
образовательных средах, а также целенаправленного применения информационнокоммуникационных технологий и архитектурных решений при разработке и реализации 
модельно-алгоритмического аппарата.

9 785763 826005

ISBN 978-5-7638-2600-5

Оглавление 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
А. Н. Пупков, Р. Ю. Царев, Д. В. Капулин 
 
 
УПРАВЛЕНИЕ ХРАНЕНИЕМ  
И ОБРАБОТКОЙ ИНФОРМАЦИИ  
В ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ СРЕДАХ  
ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2012 

Оглавление 
 

2 

УДК 378.147:004.4 
ББК 74.027.9 
         П57 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
С. И. Сенашов, д-р физ.-мат. наук, проф., зав. кафедрой информационных экономических систем ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный 
аэрокосмический университет им. акад. М. Ф. Решетнева»; 
Л. А. Якимова, д-р экон. наук, проф., зав. кафедрой предпринимательства и бизнеса ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»  
 
 
 
 
 
 
Пупков, А. Н. 
П57             Управление хранением и обработкой информации в образовательных средах дистанционного обучения : монография / А. Н. Пупков, 
Р. Ю. Царев, Д. В. Капулин. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012. – 
132 с. 
ISBN 978-5-7638-2600-5 
 
 
Предложен новый подход к повышению качества управления обменом, 
обработкой и хранением информации в дистанционных образовательных средах, 
а также целенаправленного применения информационно-коммуникационных 
технологий и архитектурных решений при разработке и реализации модельноалгоритмического аппарата. 
Предназначена магистрантам направления 230700.68 «Прикладная информатика»; специалистам, работающим в области проектирования образовательных систем и интеграции информационных технологий в образование, аспирантам и докторантам. 
 
 
УДК 378.147:004.4 
ББК 74.027.9 
 
ISBN 978-5-7638-2600-5                                                           © Сибирский федеральный 
                                                                                                         университет, 2012 

Оглавление 
 

3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………….. 
5
 
Глава 1. РАСПРЕДЕЛЕННАЯ   
              ПРОГРАММНО-ИНФОРМАЦИОННАЯ  СРЕДА   
              ДИСТАНЦИОННОГО  ОБРАЗОВАНИЯ………………… 
7
1.1. Информационные технологии и компьютерные средства  
       образовательных сред……………………………………………. 
7
1.2. Программное обеспечение  
       информационно-образовательных сред………………………… 
13
1.3. Архитектура образовательных сред……………………………. 
18
1.4. Понятие и формы дистанционного образования……………… 
22
1.5. Современный уровень развития дистанционного образования 
25
1.6. Обработка и хранение информации  
       в дистанционных образовательных средах……………………. 
31
 
Глава 2. ТРАНЗАКЦИОННЫЙ  ПОДХОД    
               К  ПОВЫШЕНИЮ  КАЧЕСТВА   
               ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ   
               В  ДИСТАНЦИОННЫХ  
               ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ  СРЕДАХ………………………… 
37
2.1. Транзакции и целостность баз данных  
       в образовательных средах дистанционного обучения………… 
38
2.1.1. Понятие транзакции………………………………………. 
39
2.1.2.Транзакции и восстановление данных…………………… 
40
2.1.3. Индивидуальный откат транзакции……………………… 
43
2.1.4. Восстановление после мягкого сбоя…………………….. 
44
2.1.5. Восстановление после жесткого сбоя……………………. 
46
2.2. Многоверсионность данных и управление параллельными  
       транзакциями в образовательных средах………………………. 
47
2.2.1. Транзакции и параллелизм……………………………….. 
47
2.2.2. Временные метки………………………………………….. 
56
2.2.3. Многоверсионный вариант двухфазного  
          протокола синхронизации………………………………… 
57
2.2.4. Многоверсионный протокол для транзакций,   
          не изменяющих данные…………………………………… 
59
2.2.5. MVSG-планировщики…………………………………….. 
60
2.2.6. Проблемы реализации версионных алгоритмов………... 
62

Оглавление 
 

4 

 
Глава 3. ОПТИМИЗАЦИЯ  ОБРАБОТКИ   
               И  ХРАНЕНИЯ  ИНФОРМАЦИИ   
               В  РАСПРЕДЕЛЕННОЙ   
               ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ  СРЕДЕ…………………………… 
64
3.1. Общая задача синтеза оптимальной логической структуры  
       базы данных………………………………………………………. 
65
3.2. Задача синтеза оптимальной логической структуры БД  
       по критерию максимума числа точек входа  
       и числа альтернативных путей доступа…………………………. 
67
3.3. Задача выбора оптимальной стратегии хранения  
       и обработки вторичных данных в БД…………………………..... 
72
 
Глава 4. НАДЕЖНОСТНЫЙ  АНАЛИЗ    
               КЛИЕНТ-СЕРВЕРНОЙ  АРХИТЕКТУРЫ…………………. 
75
4.1. Современные методы анализа надежности…………………….... 
77
4.2. Математическая модель анализа компьютерных систем  
       клиент-серверной архитектуры……….………………………….. 
87
4.3. Модель архитектурной надежности  
       программных приложений «клиент-сервер»……………………. 
96
 
Глава 5. ПРОГРАММНАЯ  РЕАЛИЗАЦИЯ   
              СИСТЕМ  АНАЛИЗА  СТРУКТУРЫ   
              И  АРХИТЕКТУРЫ  РАСПРЕДЕЛЕННОЙ   
              ИНФОРМАЦИОННО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ  СРЕДЫ…. 
102
5.1. Система анализа надежности CCS-Analytic…………………….. 
102
5.2. Анализ архитектурной надежности  
       программных приложений «клиент-сервер»…………………… 
113
5.3. Программная система анализа структуры  
       информационного обеспечения образовательной среды……… 
121
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………… 
126
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………... 
127
 

Введение 
 

5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Традиционные технологии обучения, основанные на непосредственном взаимодействии преподавателей с учащимися, формировались в 
течение многих десятилетий несколькими поколениями преподавателей и 
методистов, стали привычными и общепринятыми. Столь же незыблемые 
формы приобрели и образовательные ресурсы. Традиционная образовательная система в значительной мере расширяется. Однако традиционный 
подход не всегда позволяет удовлетворить потребности людей в получении и совершенствовании образования.  
В последние годы как в России, так и за рубежом, все большую популярность приобретает идея развития систем дистанционного обучения. 
Бурное развитие науки и технологий, а также стремительный рост объема 
информации, необходимой для успешной образовательной деятельности, 
приводят к использованию современных компьютерных и коммуникационных технологий, позволяющих решать задачи обучения и повышения 
квалификации обучающихся, которые находятся вдали от учебных, научных и технических центров. Связаны эти перемены с переходом мирового 
сообщества к информационному типу организации образования и образовательного пространства. 
Переход на новые образовательные технологии диктует новый подход к созданию и применению в учебном процессе более эффективных 
средств поиска, обработки, хранения, предоставления и передачи информации. Информационное обеспечение большинства процессов, связанных 
с профессиональным образованием, делает возможным хранение и доступ 
к базовой информации, необходимой пользователю. 
Основой образовательной системы является высококачественная и 
высокотехнологичная информационно-образовательная среда. Ее создание 
и развитие представляет технически сложную и дорогостоящую задачу. Но 
именно она позволяет системе образования коренным образом модернизировать свой технологический базис, перейти к образовательной информационной технологии в широком смысле этого слова и осуществить прорыв 
к открытой образовательной системе, отвечающей современным требованиям. Электронные и традиционные учебные материалы должны гармонично дополнять друг друга как части единой образовательной среды. Использование новейших информационных технологий должно способствовать решению педагогических задач, которые сложно или невозможно решать традиционными методами.  

Введение 
 

6 

Для создания и развития информационно-образовательной среды в 
сфере дистанционного образования должен быть полностью задействован 
существующий 
научно-методический, 
информационный, 
технологический, организационный и педагогический потенциал, накопленный отечественной системой образования. При этом нельзя допустить разрушения 
сложившейся системы. Используя достоинства сложившейся образовательной системы, имеющей глубокие традиции, необходимо выстроить 
новую открытую образовательную систему, интегрирующую все доступные информационные технологии, обеспечить переход к сознательному 
использованию методических и информационных средств в полном объеме, в том числе в условиях дистанционного образования.  
Условием реализации дистанционного образования является образовательная среда, где обучаемый и преподаватель дистанцированы друг от 
друга. Участники образовательного процесса взаимодействуют через единую информационную инфраструктуру, обладающую гетерогенностью и 
распределенной архитектурой. Создание информационно-образовательной 
среды дистанционного образования в условиях современного информационного общества характеризуется непрерывным обновлением образовательных технологий и их информационного обеспечения. 
Программно-информационные технологии в дистанционном обучении требуют решения задач управления распределенными ресурсами, анализа трафика и управления пропускной способностью сети, перераспределения серверной нагрузки, отслеживания текущего состояния подсистем, 
серверов приложений и баз данных. 
Таким образом, проблема повышения качества обмена, обработки и 
хранения информации в дистанционных образовательных средах приводит 
к 
необходимости 
целенаправленного 
применения 
информационнокоммуникационных технологий и архитектурных решений, в частности 
при разработке и реализации модельно-алгоритмического аппарата, предназначенного для управления процессами обработки информации.

1.1. Информационные технологии 
и компьютерные средства образовательных сред 

7 

Глава  1. РАСПРЕДЕЛЕННАЯ   
                ПРОГРАММНО-ИНФОРМАЦИОННАЯ  СРЕДА   
                ДИСТАНЦИОННОГО  ОБРАЗОВАНИЯ 
 
 
1.1. Информационные технологии  
и компьютерные средства образовательных сред 
 
Внедрение в обучение новых информационных технологий 
следует рассматривать как фактор, изменяющий структуру всех программ 
подготовки, всего содержания и процесса обучения. Раскрытие данной позиции можно проследить в исследованиях, связанных с общими аспектами 
компьютеризации образования. Присущие в той или иной мере всем сферам деятельности человека информационно-технологические элементы 
знаний и умений должны найти свое отражение в каждом изучаемом цикле 
дисциплин на всех периодах обучения.  
Возникающие задачи, проблемы и пути их решения достаточно разнообразны и зависят от специфических особенностей каждого цикла. Полнота содержания информационной и компьютерной составляющей подготовки и соответствие этого содержания современным требованиям, вызванным широким внедрением информационных технологий, может быть 
оценена с точки зрения информационной и компьютерной составляющих 
содержания общеобразовательной и профессиональной подготовки [1, 2]. 
Постепенное все более полное осуществление возможностей коммуникации достигается в процессе информатизации общества, т. е. повышения приоритетности информационного знания. Информационное знание 
представляет собой трехслойную структуру: знание об объекте;  знание об 
исследовании объекта; знание о проектировании объекта [3].  
Информационную технологию можно понимать как целенаправленную, конкретно и методично координируемую систему организации определенного вида информационной деятельности. Информационные технологии позволяют закреплять автоматизированные способы выработки, 
хранения, передачи и использования информации в виде знаний в информационной образовательной среде, которая объединяет все стороны информационной сферы социума или его подсистем, образуя определенную 
целостность [4–6].  
Информационные технологии зародились, когда объем информации 
достиг определенного критического значения и появился надежный способ 

Глава 1. Распределенная программно-информационная среда 
               дистанционного образования 

8 

хранения информации. В свою очередь, появление информационных технологий привело к новому качественному росту объема информации. 
Информационную технологию можно понимать как технологичный 
процесс, предусматривающий сбор, хранение, переработку и передачу информации в разнообразных сферах жизни и деятельности человека за счет 
разработки и использования современных возможностей технических и 
прикладных программных компьютерных средств. Повышающийся уровень информационного и компьютерного развития обеспечивает новые необходимые для образовательных сред возможности и предпосылки применения информационных технологий, предполагающих придание учебному 
процессу определенного качественного уровня.  
Понимание технологии в образовании формировалось постепенно и 
в настоящее время продолжает развиваться. Термин «технология обучения» первоначально возник в рамках практики использования технических 
средств обучения и ограничивался набором этих средств. Постепенно под 
технологией обучения стали понимать систему знаний, базирующуюся на 
всей совокупности проблем, связанных с целями, содержанием и проведением учебного процесса, обеспечивающую запланированный результат.  
Общая методика проектирования технологий обучения включает 
следующую последовательность этапов: создание проекта технологии обучения; анализ (самоанализ) проекта; апробация технологии и ее корректировка; внедрение скорректированной технологии обучения. 
С учетом названных принципов становится возможным осуществлять выбор и дальнейшую адаптацию в процессе подготовки будущих специалистов шести видов педагогических технологий [7]: модульной, информационной, компьютерной, аудиовизуальной, концентрированной и 
эвристической.  
Информационные технологии и компьютерные средства занимают 
все более существенное место в образовании. Компьютер как средство в 
образовательной среде по многим параметрам и направлениям сегодня перекрывает возможности других средств. Появление компьютерных средств 
значительно расширило установленные границы и повлекло качественный 
скачок, повлиявший на все параметры процесса обучения и системы образования.  
Информатизация общества сегодня предполагает широкое внедрение 
информационных знаний в виде информационных технологий, позволяющих специалистам творчески применять в своей информационной деятельности опыт целых коллективов, заключенный в пакетах программ и 
алгоритмов. Когда развитие информационных технологий достигло определенного критического объема, зародились новые средства хранения ин

1.1. Информационные технологии 
и компьютерные средства образовательных сред 

9 

формации – компьютерные средства. Имеет смысл говорить о технических 
и программных компьютерных средствах. Широкий ассортимент программных компьютерных средств по их функциональной направленности 
включает разнообразные типы компьютерных программ. Перечислим основные типы:  
● демонстрационные программные компьютерные средства – средства, обеспечивающие наглядное представление учебного материала;  
● имитационные программные компьютерные средства (системы) – 
представляют определенный аспект реальности для изучения его основных 
структурных или функциональных характеристик; 
● моделирующие программные компьютерные средства – средства, 
предполагающие использование моделей объекта, явления, процесса или 
ситуации (как реальных, так и «виртуальных»), и средства для обучения 
созданию моделей; 
● программы для контроля (самоконтроля) – направлены на измерение уровня овладения учебным материалом; 
● средства поиска информации – базы и банки данных.  
Компьютерные средства совершенствования механизмов управления 
процессом обучения в образовательной среде подразумевают использование информационно-компьютерных средств организации и активизации 
учебного процесса:  
● обеспечение нормативной документацией и управление научной 
организацией труда преподавателя, когда человек определяет параметры 
информационно-компьютерных систем, оптимальные формы представления информации в области образования, разрабатывает типологии информационных документов, основные требования к ним;  
● возможность задания границ области успеваемости с учетом уровня подготовки учащихся и сложности учебного материала, при этом жесткость требований к уровню успеваемости подбирается так, чтобы они были достаточными для прочного закрепления учебного материала, но не 
чрезмерными, чтобы не подавить интерес к учебе, т. е. человек выступает в 
качестве управляющей системы (рис. 1.1);  
● активная деятельность в учебной среде, в том числе экспериментально-исследовательская, в процессе которой происходит накопление 
данных об успеваемости и управлении учебным процессом (человек выступает поочередно в качестве управляемой и управляющей системы);  
● определение параметров информационно-компьютерных систем, 
определение оптимальных форм представления информации в области образования, разработка типологии информационных документов, основных 
требований к ним. 

Глава 1. Распределенная программно-информационная среда 
               дистанционного образования 

10 

 
Рис. 1.1. Средства совершенствования механизмов управления  
процессом обучения в системе образования 

1.1. Информационные технологии 
и компьютерные средства образовательных сред 

11 

Информационная технология и набор одновременно порождаемых 
ею и обеспечивающих ее компьютерных средств образуют качественно 
новую информационно-компьютерную систему, для которой специфическое значение приобретает информационно-компьютерная подготовка 
(рис. 1.2).  
 

 
 
Рис. 1.2. Информационно-компьютерная система 
 
Остановимся на условии перехода к информационным технологиям, 
обеспечивающим всю полноту возможностей информационно-компьютерных систем.  
Динамически развивающаяся образовательная среда должна предусматривать поэтапный и планомерный переход к более высокому уровню 
реализации информационно-компьютерной системы как инфраструктуры 
образования. Развитие информационно-компьютерной инфраструктуры можно проследить в соответствии со следующими уровнями информационнокомпьютерных систем, задающими критерии качества теоретической проработки и практической реализации педагогических компьютерных средств. 
Первый уровень – уровень изолированных средств, характеризуется 
использованием обособленных компьютерных средств, направленных на 
решение конкретных учебных задач и не предусматривающих информационный обмен данными о результатах обучения с другими средствами. Этот 
уровень компьютеризации обучения предполагает включение компьютерной техники в комплекс дидактических средств, обеспечивающий учебный 
процесс, в качестве элемента, активизирующего учебно-воспитательную 
деятельность учащихся.