РАЗРАБОТКА ТРЕНАЖЕРОВ ПО ТЕСТИРОВАНИЮ ДИСКРЕТНЫХ СИСТЕМ

Реферат
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Основные понятия и определения 11
1.1 Конечный автомат 11
1.2 Способы представления автомата 13
1.3 Методы построения проверяющих тестов 14
2 Обзор близких по тематике онлайн-курсов и инструментов для симуляции
работы конечного автомата 20
2.1 Курсы по тестированию систем на основе формальных моделей 20
2.2 Программы, симулирующие работу автомата 22
3 Описание логики работы тренажеров 26
3.1 Тренажер «Распознавание автомата» 26
3.2 Тренажер «Построение множества достижимости» 30
3.3 Тренажер «Построение различающей последовательности для пары
состояний» 32
3.4 Тренажер «Итоговое задание» 36
4 Программная реализация тренажеров 41
4.1 Интеграция в СДО и на платформы онлайн-курсов 41
4.1.1 SCORM. 41
4.1.2 LTI. 44
4.2 Программная реализация тренажера «Распознавание автомата» 46
4.3 Программная реализация тренажера «Построение множества
достижимости» 47
4.4 Программная реализация тренажера «Построение различающей
последовательности для пары состояний» 49
4.5 Программная реализация тренажера «Итоговое задание» 50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 53
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 55
ПРИЛОЖЕНИЕ А 57
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 58
ПРИЛОЖЕНИЕ В 59
Купить

Актуальность работы. Поведение дискретных систем, например, телекоммуникационных протоколов, схем, веб-сервисов можно описать с помощью автоматных моделей, в частности модели конечного автомата. Теория автоматов предоставляет большой набор алгоритмов и методов для работы с данными моделями. Также часто встречаются ситуации, когда несколько таких систем взаимодействуют друг с другом - несколько соединенных схем, или клиент и сервер взаимодействуют в рамках одного телекоммуникационного протокола. И в процессе этого взаимодействия возможно возникновение различных проблем. Описав совместное поведение с помощью формальной модели, можно построить тест для проверки совместной работы, который покажет наличие проблем. Построение проверяющих тестов на основе формальных моделей - важный пр оцесс, поэтому не менее важным является обучение построению тестов.
В настоящее время популярным является обучение с помощью онлайн- курсов в дистанционном формате и самообучение с помощью онлайн-курсов. Существует множество платформ, которые позволяют публиковать собственные курсы, например, Stepik [1] или Coursera [2]. Большинство из этих платформ пр едоставляют сертификат об успешном завершении курса. При этом для оценки, достигнут ли обучающимися тот или иной образовательный р езультат, на образовательных платформах чаще всего используются тестовые задания или задания на взаимное оценивание. Но такого рода проверки обладают недостатками, например, у тестов ответы всегда фиксир ованы, а ожидание оценивания в задании на взаимное оценивание может занимать продолжительное время и быть не объективным.
На кафедре информационных технологий в исследовании дискретных структур разработан массовый онлайн-курс «Математика в тестировании дискретных систем», в рамках которого, помимо прочего, слушателю пр едлагается освоить навык постр оения полного пр оверяющего теста. В результате возник ряд задач, например, таких как построение множества достижимости или тестирование микросхемы, для которых стандартные методы оценивания оказались неподходящими.
Целью данной работы является создание внешних инструментов (тренажеров) с возможностью автоматизированной проверки лабораторных работ по тестированию технических систем на основе формальных моделей, с интеграцией на платформы онлайн-обучения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучение методов тестирования дискретных систем, поведение которых описывается моделью конечного автомата.
2. Обзор существующих курсов по тестированию цифровых систем на пр едмет наличия интер активных модулей.
3. Разработка симулятора поведения конечного автомата.
4. Разработка тр енажера по р аспознаванию неиспр авности из заданного класса.
5. Разработка алгоритмов проверки множества различимости и различающих последовательностей для пары состояний на соответствие опр еделениям.
6. Разработка алгоритма имитации пр оцесса тестир ования микросхемы.
7. Программная реализация разработанных алгоритмов, с возможностью автоматического оценивания .
8. Интеграция реализованных программ на онлайн-платформы обучения и в учебный процесс.
Методы исследования.
Для решения поставленных задач используется аппарат дискретной математики, в том числе, теория конечных автоматов. Также используются методы математической логики и методы пр ограммирования.
Научная новизна.
1. Разработаны алгоритмы пр оверки:
является ли заданное множество V множеством достижимости автомата A;
- является ли заданная последовательность различающей последовательностью для заданной пары состояний автомата A, и можно ли эту последовательность сократить.
2. Разработан алгоритм имитации процесса тестирования микросхем.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Тренажер по распознаванию неисправности из заданного класса, интегрированный в систему дистанционного обучения MOODLE.
2. Тренажер, имитирующий процесс тестирования микросхемы, для освоения процесса тестирования дискретной системы.
3. Тренажеры, проверяющие освоение этапов построения полного пр оверяющего теста для дискр етной системы в случае, если эталонное (ожидаемое) поведение системы задано в виде конечного автомата.
Достоверность результатов.
Полученные в данной работе положения и выводы опираются на известные утверждения и теоремы теории автоматов и технической диагностики; результаты экспериментов с интерактивными модулями (тренажёрами) совпадают с результатами, полученными вручную.
Практическая ценность.
Был реализовано четыре интерактивных модуля по тестированию технических систем на основе формальных моделей с возможностью автоматического оценивания. Модули были интегрированы в систему дистанционного обучения Moodle и на платформы онлайн-курсов Stepik [3] и Coursera [4], а также были внедрены в учебный процесс. В результате в онлайн-курсе «Математика в тестировании дискретных систем», помимо традиционных тестов и заданий на взаимное оценивание, есть интерактивные тр енажеры для освоения навыков постр оения полного проверяющего теста и тестирования. Для каждого модуля были реализованы контрольный и тренировочный варианты. Тренировочные варианты модулей имеют неограниченное количество попыток и позволяют слушателю курса осваивать полученные навыки без ограничений, контрольные варианты являются контролирующими элементами в рамках курса и жестко ограничивают число попыток прохождения и фиксирует результаты слушателя на платформе онлайн-курсов или в системе дистанционного обучения.
Апробация работы.
Результаты данной работы были представлены на следующих конференциях: Восемнадцатая Всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов (СНИИ-2021) и Тринадцатая Международная конференция «Новые информационные технологии в исследовании сложных структур» (ICAM-2020).
По полученным результатам опубликовано 2 работы в изданиях, входящих в базу цитирования РИНЦ:
1. Мануилов В. А. Автоматизация проверки лабораторных работ по тестированию дискретных систем на основе формальных моделей / В. А. Мануилов, Н. В. Шабалдина // Новые информационные технологии в исследовании сложных структур : материалы Тринадцатой Международной конференции, 7-9 сентября 2020 г. Томск, 2020. С. 139.
2. Мануилов В.А. Разработка тренажеров по тестированию дискретных систем // Труды Восемнадцатой Всер оссийской конфер енции студенческих научно-исследовательских инкубаторов. - Томск, 5-7 мая 2021 г. / под ред. В.В. Демина. 2021. - Томск: Изд-во НТЛ (в печати).
Структура и объем работы.
Магистерская диссертация разделена на 4 главы
В первой главе вводятся основные понятия и определения. В частности, вводятся понятия классического конечного автомата, полуавтомата. Также приводятся наиболее распространённые способы представления конечного автомата. Помимо этого, вводятся такие понятия, как область неисправности, множество различимости, множество достижимости конечного автомата. Описывается построение полного проверяющего теста методом Василевского.
Во второй главе приводится обзор курсов по формальным моделям дискретных систем (автоматов, полуавтоматов), а также по тестированию на основе формальных моделей. В рамках обзора рассматриваются элементы, используемые для проверки усвоения материала слушателем, чтобы понять какие недостатки и пр еимущества у используемых элементов и можно ли использовать существующие решения в данной работе. Также рассматриваются существующие на сегодняшний день симуляторы поведения конечного автомата, приводится их описание, и их преимущества и недостатки в рамках данной работы.
В третьей главе приводится описание логики разработанных тренажеров, в том числе, формулируются задачи, которые стоят перед пользователем тренажеров. Также в данной главе приводятся разработанные алгоритмы проверок построенного множества различимости, различающей последовательности для пары состояний автомата и имитации процесса тестирования микросхемы.
В четвертой главе приводится описание программной реализация тренажеров, а также способы интеграции интерактивных модулей в систему дистанционного обучения Moodle в виде SCORM-пакетов и интеграция на платформы онлайн-курсов, такие как, например, Stepik или Coursera, с помощью LTI.
Купить