X Konferencja „Sieci i Systemy Informatyczne” Łódź, październik 2002

LIDIA JACKOWSKA – STRUMIŁŁO WOJCIECH BIENIECKI TOMASZ BROŻYŃSKI Katedra Informatyki Stosowanej Politechniki Łódzkiej e-mail: lidia_js@kis.p.lodz.pl

SYSTEM KOMPUTEROWY DO INTERAKTYWNEGO SPRAWDZANIA WIEDZY STUDENTÓW W INTRANECIE

Recenzent

Streszczenie W referacie przedstawiono założenia projektowe i wyniki wdrożenia

interaktywnego systemu komputerowego do sprawdzania wiedzy studen-tów i prezentacji materiału dydaktycznego. System pracuje jako serwis WWW w sieci lokalnej Katedry Informatyki Stosowanej i wykorzystywany jest jako interaktywna instrukcja do laboratorium komputerowego z przedmiotu „Wstęp do Informatyki”. Działanie systemu zostało spraw-dzone w wyniku testu przeprowadzonego na dużej grupie studentów. W pracy przedstawiono statystyczną analizę ocen.

Słowa kluczowe: Intranet, nauczanie na odległość, MySQL, PHP.

1. Wstęp

Rozwój nowoczesnej techniki komputerowej stwarza coraz więcej możliwości dla usprawnienia procesu dydaktycznego i wzbogacania go o nowoczesne formy przeka-zywania informacji i sprawdzania wiedzy studentów. W Katedrze Informatyki Stoso-wanej powstał system informatyczny "Kolokwium", którego głównym celem była moż-liwość przeprowadzania sprawdzianu pisemnego dla dużej liczby studentów i jego automatycznego sprawdzania. Dodatkowo został on wzbogacony o serwis WWW, który służy studentom jako pomoc dydaktyczna do przedmiotu „Wstęp do Informaty-ki”.

W systemie "Kolokwium" zastosowano techniki zdalnego dostępu do bazy danych, w której przechowywane są dane studentów, pytania testu i poprawne odpowiedzi oraz

L. Jackowska – Strumiłło, W. Bieniecki, T. Brożyński System komputerowy do interaktywnego sprawdzania wiedzy studentów w Intranecie wyniki testu uzyskane przez studentów. Jako serwer bazy danych wybrano MySQL komunikujący się z serwerem WWW poprzez języki skryptowe PHP i JavaScript. Inter-fejs użytkownika zrealizowano jako dynamiczną stronę WWW o ograniczonym dostę-pie.

2. Struktura techniczna systemu

System „Kolokwium” został zainstalowany na serwerze Sun Solaris v 2.7. w Katedrze Informatyki Stosowanej. Wykonano również testy na innych systemach operacyjnych: Linux RedHat 7.0, FreeBSD, Windows NT 4.0. System składa się z następujących modułów:

- serwer WWW (Apache) udostępniający dokumenty hipertekstowe w intranecie,

- zestaw statycznych dokumentów hipertekstowych prezentujących materiały dydaktyczne,

- serwer PHP (Personal Home Pages) wspomagający działanie serwera WWW i pozwalający na prezentację dynamicznych dokumentów hipertekstowych oraz komunikację z bazą danych,

- zestaw skryptów PHP realizujących dynamiczne strony hipertekstowe, stano-wiące interfejs użytkownika do bazy danych,

- serwer bazy danych (MySQL) zarządzający bazą danych, - baza danych, w której przechowywane są zestawy pytań, dane osobowe stu-

dentów oraz wyniki kolokwium. Struktura systemu przedstawiona została na rys. 1.

Przeglądarka internetowa

Serwer WWW

Dokumenty hipertekstowe

PHP

SkryptyPHP Baza

danych

MySQL

Rys 1. Modułowa budowa systemu „Kolokwium”[2].

X Konferencja „Sieci i Systemy Informatyczne” Łódź, październik 2002

Dokumenty hipertekstowe w systemie realizowane są w języku DHTML (Dynamic Hipertext Markup Language) [3]. Stanowią one szkielet interfejsu użytkownika, zarów-no studenta jak i wykładowcy. Są one udostępnione zarówno w Internecie jak i w Intra-necie i zawierają pomoce dydaktyczne dla studentów: instrukcje do ćwiczeń laborato-ryjnych ze „Wstępu do Informatyki” oraz wybrane zagadnienia teoretyczne, które pre-zentowane są na wykładzie lub stanowią jego uzupełnienie. Materiały dydaktyczne dostępne na stronach WWW zostały pogrupowane tematyczne. W celu uatrakcyjnienia i ujednolicenia wyglądu stron WWW do ich budowy zastosowano także arkusze stylów CSS. Są one bardzo wygodne przy modyfikacji treści wykładów lub ćwiczeń oraz przy dodawaniu nowych materiałów dydaktycznych do systemu. Strona tytułowa serwisu WWW została uatrakcyjniona animacjami wykonanymi w technologii Flash. Do reali-zacji interakcji w systemie, np. efekty rozwijalnego menu ułatwiającego nawigację w materiałach dydaktycznych, zastosowano popularną technikę DHTML JavaScript [1]. Jest to zestaw skryptów działających po stronie przeglądarki. Skrypty te wykorzystano również do weryfikacji danych wpisywanych w formularze kolokwium oraz do tworze-niu zapytań do serwera lub wysyłania danych na podstawie wypełnionych formularzy. Materiały związane z kolokwium udostępniane są studentom tylko w Intranecie, w czasie trwania kolokwium.

Mechanizm przetwarzania i prezentacji danych opiera się na konfiguracji współpra-cujących ze sobą serwerów Apache, PHP, MySQL [4,6]. Wymieniony zestaw trzech produktów stanowi obecnie najpopularniejszą konfigurację dla różnych serwisów inter-netowych. Serwery te mogą być instalowane na różnych systemach operacyjnych spo-krewnionych z Unixem, między innymi darmowych, takich jak Linux i FreeBSD, ist-nieją również wersje dla Windows NT/2000. O ich popularności decyduje głównie to, że produkty te są darmowe, a dane, czyli struktury katalogowe dokumentów hipertek-stowych, skrypty PHP, bazy danych są przenośne pomiędzy różnymi systemami opera-cyjnymi. PHP i MySQL zostały tak zaprojektowane, że praktycznie stanowią jedno środowisko programowania. Z jednej strony MySQL ma interfejs programowania (API) do PHP (również do innych języków, takich jak C, C++, Eiffel, Java, Perl, Python i Tcl). Z drugiej strony PHP jako język programowania daje duże możliwości tworzenia pętli, instrukcji warunkowych i przetwarzania łańcuchów znakowych.

MySQL jest systemem działającym w technologii klient/serwer składającym się z wielowątkowego serwera SQL, który może być obsługiwany przez kilka różnych programów klienta oraz bibliotek, narzędzi administracyjnych i interfejsów programi-stycznych. Wielowątkowość pozwala na optymalne wykorzystanie systemu wielopro-cesorowego. W omawianym systemie funkcje SQL zostały zaimplementowane za po-mocą bardzo dobrze zoptymalizowanej biblioteki klas, co pozwoliło na zwiększenie jego wydajności. Serwer został napisany w językach C i C++ i przetestowany z wielo-ma różnymi kompilatorami. W rezultacie powstał system szybki i wydajny, współpra-

L. Jackowska – Strumiłło, W. Bieniecki, T. Brożyński System komputerowy do interaktywnego sprawdzania wiedzy studentów w Intranecie cujący z kilkoma bazami danych o objętości 50 mln. rekordów. Udało się to osiągnąć dzięki zastosowaniu techniki szybkiej i oszczędnej alokacji pamięci oraz przetestowa-niu systemu na okoliczność „wycieków” pamięci, czyli jej niewłaściwej dealokacji.

Zastosowany do budowy oprogramowania PHP jest najpopularniejszym ostatnio ję-zykiem skryptowym działającym po stronie serwera, wykorzystywanym do tworzenia dynamicznych serwisów WWW. Kody źródłowe PHP są bezpłatnie udostępnione (OpenSource) i mogą być kompilowane na różnych systemach operacyjnych. Również pomoc związana z wykorzystaniem PHP jest bezpłatna i łatwo dostępna. Składnia języ-ka PHP jest podobna do składni innych popularnych języków programowania, jak: Pearl i C. Dlatego też wielu programistów chętnie uczy się i używa PHP, zwłaszcza, że serwer PHP umożliwia dużo lepsze zabezpieczenie serwera przed włamaniami, niż to było w przypadku wcześniej używanych technik CGI [7].

Obecnie coraz częściej wykorzystywanym zestawem technik tworzenia profesjonal-nych, komercyjnych aplikacji bazodanowych i bazodanowych serwisów internetowych jest zestaw Oracle (np. wersja 9i) oprogramowany przez aplikacje i aplety Javy oraz języki skryptowe np. Python. Serwisy takie oferują lepsze zarządzanie bazą danych w środowisku rozproszonym i wielodostępowym (np. system transakcji), jednak w przypadku konkretnego omawianego przez nas systemu, w którym nie istnieje kon-flikt dostępu do rekordów przez różnych użytkowników, ich użycie nie było konieczne.

3. Struktura funkcjonalna systemu

Serwis WWW dla „Wstępu do Informatyki” podzielono na trzy zasadnicze części: instrukcje do ćwiczeń laboratoryjnych, prezentacja wybranych zagadnień teoretycznych oraz kolokwium. W oknie serwisu umieszczone zostało menu pozwalające użytkowni-kowi na sprawne poruszanie się po serwisie WWW i wybór interesujących go wiado-mości. Zbudowane jest ono z systemu zakładek umożliwiających hierarchiczną prezen-tację informacji zawartych w serwisie.

3.1. Prezentacja materiału wykładowego i ćwiczeniowego [5]

Główne zakładki, które dzielą serwis na cztery kategorie tematyczne, to: Semestr I, Semestr II, Teoria, Kolokwium. Na rys. 2 przedstawiono schemat układu dokumentów dla materiałów dydaktycznych.

W zakładce Semestr I zostały zamieszczone instrukcje do ćwiczeń laboratoryjnych, które studenci wykonują w pierwszym semestrze. Do pierwszych czterech ćwiczeń, które dotyczą systemu operacyjnego DOS, nakładek na system DOS, systemu Windows i edytorów tekstowych, dołączone zostały informacje teoretyczne na temat obsługi

X Konferencja „Sieci i Systemy Informatyczne” Łódź, październik 2002

a )S e m e s t r I

S e m e s t r I I

1 D O S

2 N a k ła d k i

3 W in d o w s

4 E d y t o r y

5 - 1 3 P a s c a l

2 5 U N IX

T E O R I AP O L E C E N I A D O S

T E O R I AZ A D A N I A

Z A D A N I A

Z A D A N I A

T E O R I AZ A D A N I A

T E O R I AZ A D A N I A

1 4 - 2 4 P a s c a l

Z A D A N I A

T E O R I AZ A D A N I A

b)

T e o ria

A lg o rytm y s o rto w a n ia

P a s c a l

A L G O R Y T M P R O S T Y A L G O R Y T M BĄB E L K O W Y

A L G O R Y T M K A R C IA N Y A L G O R Y T M S Z Y B K I

P O D S T A W O W E E L E M E N T Y D E K L A R A C J E I IN S T R U K C J E

P O D P R O G R A M Y M O D U ŁY

T Y P P L IK O W Y

Rys 2. Zestaw dokumentów hipertekstowych prezentujących materiał dydaktyczny z przedmiotu „Wstęp do Informatyki”:

a) – podział na zajęcia, b) – pomoc teoretyczna.

L. Jackowska – Strumiłło, W. Bieniecki, T. Brożyński System komputerowy do interaktywnego sprawdzania wiedzy studentów w Intranecie komputera, które nie są prezentowane na wykładzie. Instrukcje do kolejnych ćwiczeń zawierają zbiór zadań do programowania w języku Pascal.

W zakładce Semestr II zebrane zostały zadania, które obejmują dalszy ciąg progra-mowania w Pascalu oraz obsługę komputera pracującego w systemie operacyjnym Unix.

W zakładce Teoria zamieszczono informacje na temat języka programowania Pascal oraz algorytmów sortowania. Służą one studentom jako pomoc naukowa podczas wy-konywania ćwiczeń laboratoryjnych.

3.2. Moduł do sprawdzania wiedzy studentów

Moduł ten stanowi najważniejszą część systemu. Pozwala on na tworzenie nowych testów, przeprowadzanie ich w trybie „on-line” oraz oferuje możliwość automatyczne-go sprawdzenia poprawności wykonania testu. Zostały w nim zdefiniowane dwie klasy użytkowników: Egzaminator i Student. Student może jedynie rozwiązywać test, nato-miast egzaminator ma dodatkowo dostęp do edycji testu oraz do wyników (rysunek 3).

Rys 3. Uprawnienia użytkowników do części testującej systemu „Kolokwium”.

Funkcje dostępne w omawianym module w zakładce Kolokwium zostały przedsta-

wione na rysunku 4. Zakładka Test dostępna jest dla wszystkich użytkowników sieci lokalnej Katedry In-

formatyki Stosowanej. Po uruchomieniu opcji Start studenci, którzy prawidłowo wpiszą nazwę testu i hasło podane przez prowadzącego zajęcia laboratoryjne, mogą przystąpić do rozwiązywania testu. W pierwszej kolejności student wpisuje swoje dane osobowe, które go jednoznacznie identyfikują, czyli imię, nazwisko, numer grupy oraz semestru. Po poprawnej autoryzacji w oknie kolokwium wyświetlają się po kolei pytania losowa-ne z bazy danych wraz z możliwymi czterema odpowiedziami, a student musi zazna-czyć jedną z nich. Po zaznaczeniu jednej z odpowiedzi i wciśnięciu klawisza Enter w oknie ukazuje się kolejne pytanie, a student nie ma już możliwości powrotu do po-

X Konferencja „Sieci i Systemy Informatyczne” Łódź, październik 2002

przednich pytań. Po zakończeniu testu okno kolokwium się zamyka i nie ma możliwo-ści ponownego rozwiązania testu z tymi samymi danymi osobowymi.

Zakładki Edycja i Wyniki dostępne są tylko dla egzaminatora. Edycja umożliwia na-stępujące opcje:

• Nowy test – tworzenie nowego testu, • Edycja testu – edytowanie istniejącego testu, • Usuń test – usuwanie istniejącego w bazie testu, • Kategorie pytań – edycja kategorii pytań. Po wyborze opcji Nowy test egzaminator wpisuje nazwę tworzonego testu oraz ha-

sło dostępu do niego. Podaje również liczbę pytań, które będą losowane z bazy danych, definiuje kategorie tematyczne, na które będą podzielone pytania oraz określa ile pytań będzie losowanych z każdej kategorii. Po zatwierdzeniu danych na oknie przeglądarki pojawia się formularz, w którym egzaminator wpisuje treść pytań i możliwych odpo-wiedzi oraz zaznacza właściwą odpowiedź i kategorię pytania. Liczba pytań nie jest ograniczona i zależy jedynie od zasobów fizycznych serwera.

Zakładka Wyniki zawiera dwie opcje: • Zbiorowe – prezentacja wyników testu w postaci zbiorczej tabeli dla całej gru-

py laboratoryjnej, w której wyświetlana jest lista studentów, liczba błędnych odpowiedzi i ocena;

• Indywidualne – szczegółowa prezentacja wyników testu wybranego studenta. Wyświetlana jest wówczas lista pytań i odpowiedzi jakie student udzielił pod-czas testu. Odpowiedzi błędne zaznaczone są kolorem czerwonym.

K o lo k w iu m T e s t

E d y c ja

S T A R T

N O W Y T E S T E D Y C J A T E S T U

U S U Ń T E S T K A T E G O R IE P Y T A Ń

Z B IO R O W E

W y n ik i

IN D Y W ID U A L N E

Rys 4. Układ stron WWW w module testującym systemu „Kolokwium”.

L. Jackowska – Strumiłło, W. Bieniecki, T. Brożyński System komputerowy do interaktywnego sprawdzania wiedzy studentów w Intranecie

3.3. Konstrukcja bazy danych

Baza danych zbudowana jest z sześciu tabel, które, wraz z istniejącymi pomiędzy nimi relacjami, zostały pokazane na rysunku 5.

Rys. 5. Układ tabel i relacji dla bazy danych systemu „Kolokwium” (wizualizacja w Microsoft Access) [2].

Dane w tabelach rozmieszczone są w następujący sposób: • Kategorie_pytan – kategorie występujących pytań które definiuje wykładowca, • Odpowiedzi – treść odpowiedzi do pytań; które są wprowadzane podczas kon-

strukcji testu, • Pytania – każdy rekord zawiera treść pytania, kategorię i numer właściwej od-

powiedzi, • Studenci – dane personalne studentów, • Testy – informacje o testach: nazwa, hasło i dane dotyczące ilości losowanych

pytań, • Wyniki – dane generowane podczas przeprowadzania testu.

X Konferencja „Sieci i Systemy Informatyczne” Łódź, październik 2002

4. Wyniki testu systemu

Po uruchomieniu i wstępnym przetestowaniu system został zastosowany do prze-prowadzenia kolokwium z przedmiotu „Wstęp do Informatyki” na I semestrze kierunku Informatyka. Celem przeprowadzonych badań było sprawdzenie przydatności testów jako formy sprawdzania wiedzy oraz sprawdzenie poprawności działania systemu kom-puterowego "Kolokwium". Badania przeprowadzono dla grupy 200 studentów. Pierw-sze kolokwium pisali oni w formie tradycyjnej. Składało się ono z trzech pytań: na dwa pytania z teorii należało udzielić odpowiedzi w formie opisowej, a jedno polegało na rozwiązaniu prostego przykładu obliczeniowego. Kolokwium z materiału wykładowego z drugiej części semestru studenci pisali w formie testu wyboru, który składał się z 21 pytań podzielonych na trzy kategorie tematyczne. Spośród czterech możliwych odpo-wiedzi na pytanie studenci zaznaczali jedną, którą uważali za poprawną. Spośród grupy 200 osób zdających test 50 osób pisało go na kartkach, a 150 na komputerze. Oceny uzyskane przez studentów z testu poddano analizie statystycznej. Na rysunku 6 przed-stawione zostały histogramy ocen z obu kolokwiów.

Rys. 6. Histogramy ocen z I i II kolokwium.

2 3- 3 3.5 4 4.5 50

10

20

30

40

50 II kolokwium

oceny

n

4+4- 5-3+

3+2 3- 3 3.5 4 4.5 55-0

10

20

30

40

50

4- 4+ oceny

I kolokwiumn

L. Jackowska – Strumiłło, W. Bieniecki, T. Brożyński System komputerowy do interaktywnego sprawdzania wiedzy studentów w Intranecie

Średnia ocen z I kolokwium wynosiła 4.14, a z II kolokwium 3.87. W I kolokwium najwięcej osób uzyskało ocenę 5 (n = 45 osób), a rozkład ocen jest zbliżony do rosną-cego. W II kolokwium najwięcej osób uzyskało ocenę 4- (n = 29 osób), a rozkład ocen jest zbliżony do symetrycznego. Wynika stąd, że zaliczenie testu okazało się dla studen-tów trudniejsze od tradycyjnego kolokwium. Na rysunku 7 przedstawiono histogram różnic pomiędzy ocenami z pierwszego i drugiego kolokwium ∆ dla tej samej grupy studentów. Wynika z niego, że dla przeważającej większości studentów różnica ta nie przekracza jednej oceny. Jej rozkład jest w przybliżeniu symetryczny, a moda histo-gramu wynosi 0.5 oceny. Średnia wartość z modułów różnic ocen wynosi 67.0SR =∆ .

Histogram ten potwierdza zgodność statystyczną pomiędzy ocenami z obu kolokwiów oraz fakt, że I kolokwium było dla studentów łatwiejsze od testu. Należy jednak zazna-czyć, że pytania w teście charakteryzowały się dużym poziomem szczegółowości.

Rys. 7. Histogram różnic pomiędzy ocenami z pierwszego i drugiego kolokwium.

W grupie 50 osób piszących test na kartkach średnia ocen z I kolokwium wynosiła 4.09, z II kolokwium 3.62, a średnia wartość z modułów różnic ocen 73.0SR =∆ .

Histogram ocen dla tej grupy studentów przedstawiono na rysunku 8. W grupie 150 osób piszących test przy komputerze średnia ocen z I kolokwium wy-

nosiła 4.16, z II kolokwium 3.97, a średnia wartość z modułów różnic ocen 66.0SR =∆ . Histogram ocen dla tej grupy studentów przedstawiono na rysunku 9.

Porównując histogramy z rysunków 8 i 9 można stwierdzić, że nieznacznie lepsze oceny uzyskali studenci piszący kolokwium przy komputerze, ale uzyskali oni także lepsze wyniki w I kolokwium. Na podstawie porównania zaprezentowanych wyników można stwierdzić, że system komputerowy „Kolokwium” działa poprawnie i może być stosowany do sprawdzania wiedzy studentów.

-3 -2 -1 0 1 20

10

20

30n

∆

X Konferencja „Sieci i Systemy Informatyczne” Łódź, październik 2002

Rys. 8. Histogram ocen dla grupy studentów piszących test na kartkach.

Rys. 9. Histogram ocen dla grupy studentów piszących test przy komputerze.

5. Podsumowanie

Działanie opisanego w artykule systemu komputerowego „Kolokwium” zostało sprawdzone na podstawie kolokwium przeprowadzonego dla grupy 200 studentów. Oceny uzyskane przez studentów z testu poddano analizie statystycznej i porównano z ocenami uzyskanymi tradycyjną metodą. Potwierdziły one, że system działa popraw-nie, a testy pisane przy komputerze mogą być stosowane jako skuteczna forma spraw-dzania wiedzy studentów.

System jest uniwersalny i umożliwia testowanie wiedzy z różnych dziedzin. Zasto-sowana platforma programowa czyni system w dużym stopniu niezależnym od posia-danego sprzętu i oprogramowania, co daje możliwość przeniesienia go np. do szkół. Prace, które obecnie są prowadzone w Katedrze ukierunkowane są na zwiększenie bezpieczeństwa systemu.

2 3 3.5 4 4.5 50

2

4

6

8n

oceny

2 3 3.5 4 4.5 50

5

10

15

20

25n

oceny

L. Jackowska – Strumiłło, W. Bieniecki, T. Brożyński System komputerowy do interaktywnego sprawdzania wiedzy studentów w Intranecie

Literatura

[1] Barret D., Livingston D., Brown M.: JavaScript dla profesjonalistów. Translator s.c., Warszawa, 1999.

[2] Brożyński T.: Serwis WWW jako interaktywna instrukcja w laboratorium kompute-rowym „Wstęp do Informatyki”. Praca dyplomowa, Katedra Informatyki Stosowa-nej, Politechnika Łódzka, Łódź 2001.

[3] Campbell B., Darnell R.: Dynamic HTML. Helion, Gliwice, 1998. [4] Hilton C., Willis J.: PHP3 – internetowe aplikacje bazodanowe. Helion, Gliwice,

2000. [5] Jackowska-Strumiłło L. i inni: „Wstęp do informatyki”- instrukcja do laborato-

rium. Katedra Informatyki Stosowanej, Politechnika Łódzka, Łódź 2001. http://www.kis.p.lodz.pl/~labor/

[6] Nowakowski M.: PHP4 & MySQL dla webmastera. Translator s.c., W-wa, 2001. [7] Wilk P.: Skrypty i skrypciki. Chip Special, październik 2000, str. 38.