Докторант: маг. инж. Елица Арсова

1. ТЕМА НА ДИСЕРТАЦИЯТА: СЪЗДАВАНЕ И ИЗСЛЕДВАНЕ НА ПРОГРАМНА СРЕДА ЗА ЕЛЕКТРОННО ОБУЧЕНИЕ ПО ДИСЦИПЛИНАТА “БАЗИ ОТ ДАННИ” Докторант: маг. инж. Елица Арсова Научен ръководител: доц. д-р Ангел Смрикаров

2. ОБЩА МЕТОДИКА НА РАБОТА

3. ПРОБЛЕМ И АКТУАЛНОСТ Базите от данни (БД) намират все по-широко приложение във всички области на бизнеса и обществения живот и, благодарение увеличаването на възможностите за достъп до тях чрез Интернет, са се утвърдили като основен елемент на информационните системи. Поради това непрекъснато нараства необходимостта от квалифицирани специалисти в тази област. В условията на бързо развиващи се информационни технологии подготовката на специалисти се затруднява поради липсата на подходящи виртуални инструменти за онагледяване на учебния материал. Тези инструменти следва, базирайки се на иновационни образователни технологии, да допълнят традиционните средства за преподаване и така да се отговори на необходимостта от широко достъпно, адаптирано към индивидуалните потребности, качествено обучение в областта на БД.

4. ГЛАВА I. АНАЛИЗ НА СРЕДСТВАТА И СРЕДИТЕ ЗА ЕЛЕКТРОНННО ОБУЧЕНИЕ ПО БАЗИ ОТ ДАННИ 1.1. Същност на електронното обучение. Стандарти. 1.2. Виртуални образователни среди. Класификация. 1.3. Виртуални лаборатории. Класификация. 1.4. Аналитичен обзор на виртуалните лаборатории по “Бази от данни”. 1.5. Методи и средства за създаване на интерактивни инструменти за обучение. 1.6. Изводи. 1.7. Цел и задачи на дисертацията.

5. ИЗПОЛЗВАНА ЛИТЕРАТУРА: • 34 заглавия на кирилица; • 86 заглавия на латиница; • 32 WEB-базирани материала.

6. ВИРТУАЛНИ ОБРАЗОВАТЕЛНИ СРЕДИ

7. ОСНОВНИ ВИДОВЕ ВИРТУАЛНИ ЛАБОРАТОРИИ • Виртуални лаборатории на базата на програмни модели; • Виртуални лаборатории на базата на реално оборудване или физически модели, управлявани чрез Интернет; • Комбинирани виртуални лаборатории.

8. ВИРТУАЛНИ ЛАБОРАТОРИИ, РАЗРАБОТЕНИ В РУСЕНСКИЯ УНИВЕРСИТЕТ • Виртуална лаборатория по дисциплината “Електрически измервания”; • Виртуална лаборатория по дисциплината „Синтез и анализ на логически схеми”; • Виртуална лаборатория по дисциплината „Организация на компютъра”.

9. СЪЩЕСТВУВАЩИ ПРОГРАМНИ СРЕДИ ЗА Е-ОБУЧЕНИЕ ПО “БАЗИ ОТ ДАННИ” • QUEST(QuestEnvironment for Self-managed Training) - Университет Валадолид, Испания; • ВЛБД - Университет Ферн, Хаген, Германия; • ВЛБД - Университет Гирона, Испания; • ВЛБД - Университет Дъблин Сити, Великобритания; • ВЛБД - Университет Темс Валеи, Лондон, Великобритания.

10. ИЗВОДИ • В известната литература не са формулирани изискванията към една виртуална лаборатория за електронно обучение по бази от данни. • Не са известни алгоритми и модели за изпълнение и онагледяване на процедурите за проектиране, реализиране и използване на базите от данни. • Не са известни интерактивни виртуални инструменти за визуализация на фундаментални понятия и методи от областта на базите от данни. • Търсенето в световната мрежа на виртуална лаборатория по бази от данни, която да съдържа интерактивни виртуални инструменти, подпомагащи осмислянето на основните теми в областта, не доведе до положителен резултат. • Средата за електронно обучение трябва да бъде изградена върху подходяща софтуерна платформа, пригодна за създаване на виртуални библиотеки. • За използване на интерактивни виртуални модели в някои от съществуващите програмни среди за електронно обучение се налага предварително инсталиране на лицензионни софтуерни продукти, което оскъпява обучението по дисциплината. • Известните критерии и методики за изследване ефективността на една програмна среда за електронно обучение не са пригодни за определяне на ефекта от използването на среда, предназначена за електронно обучение по дисциплината „Бази от данни”.

11. ЦЕЛ НА ДИСЕРТАЦИЯТА Цел на настоящия дисертационен труд е създаването и изследването на WEB–базирана среда за електронно обучение, включваща виртуална лаборатория с интерактивни модели за онагледяване и осмисляне на основни понятия, методи и средства от областта на базите от данни, за подпомагане на учебния процес по едноименната дисциплина при традиционното и дистанционното обучение.

12. ЗАДАЧИ • Да се формулират изискванията към виртуалната лаборатория и да се направи обоснован избор на инструментални средства за реализирането й. • Да се предложат алгоритми и разработят програмни модели за изпълнение и онагледяване на процедурите за проектиране, реализиране и използване на базите от данни. • Да се предложи методика и да се направи верификация на моделите. • Интегриране на създадените модели във виртуална лаборатория.

13. ЗАДАЧИ • Да се направи обоснован избор на платформа за създаване на средата за електронно обучение. • Да се реализира WEB–базираната среда за електронно обучение по бази от данни и да се интегрира виртуалната лаборатория в нея. • Създадената програмна среда за електронно обучение да се апробира и внедри в учебния процес и да се предложат критерии и методика за изследване на ефективността й.

14. ГЛАВА II. АЛГОРИТМИЧНО МОДЕЛИРАНЕ И ТЕОРЕТИЧНО ИЗСЛЕДВАНЕ НА ВИРТУАЛНАТА ЛАБОРАТОРИЯ ПО “БАЗИ ОТ ДАННИ” 2.1. Формулиране на изискванията към виртуалната лаборатория. 2.2. Съставяне на концептуален модел и архитектура на виртуалната лаборатория. 2.3. Алгоритмично моделиране на процесите проектиране, създаване и използване на бази от данни. 2.3. Теоретично изследване на алгоритмичните модели. 2.4. Съставяне на методика за проектиране и реализиране на интерактивните учебни модели. 2.6. Изводии резултати.

15. СЪСТАВЯНЕ НА АЛГОРИТМИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ОПЕРАЦИИ НАД РЕЛАЦИИ • Алгоритъм за изпълнение на операция “Проекция”; • Алгоритъм за изпълнение на операция “Селекция”; • Алгоритъм за изпълнение на операция “Обединение”; • Алгоритъм за изпълнение на операция “Разлика”; • Алгоритъм за изпълнение на операция “Декартово произведение”; • Алгоритъм за изпълнение на операция “Сечение”; • Алгоритъм за изпълнение на операция “Естествено съединение”.

16. АЛГОРИТЪМ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА РЕЛАЦИОННАТА ОПЕРАЦИЯ “ПРОЕКЦИЯ” • При изпълнение на операция “Проекция” над отношение R се премахват някои от неговите компоненти. • Сложност на алгоритъма: Тизпълнения= O(n), където Тизпълненияе времето за изпълненията на операциите четене/запис, n- броят на стойностите на атрибутот R.

17. АЛГОРИТЪМ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА РЕЛАЦИОННАТА ОПЕРАЦИЯ “СЕЛЕКЦИЯ” • При операция “Селекция”,F(R), се извеждат като резултат онези кортежи от отношение R, които отговарят на условие F. • Сложност на алгоритъма: Тmin_изпълнения=1; Тmах_изпълнения= O(n), къдетоТизпълненияе времето за изпълненията на операция сравнение, n - броят на стойностите на атрибутот R.

18. АЛГОРИТЪМ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА РЕЛАЦИОННАТА ОПЕРАЦИЯ “ОБЕДИНЕНИЕ” • Обединението на отношенията R и Sпредставлява множество кортежи, принадлежащи на R или S или (и) на двете едновременно. Операцията се прилага само към отношения с една и съща арност. • Сложност на алгоритъма: Тизпълнения = n(m+1)=O(n*m), където: Тизпълненияе времето за изпълненията на операциите четене/запис и сравнение, n - броят на стойностите на атрибутот отношение R, m - броят на стойностите на атрибутот отношение S.

19. АЛГОРИТЪМ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА РЕЛАЦИОННАТА ОПЕРАЦИЯ “ОБЕДИНЕНИЕ”

20. АЛГОРИТЪМ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА РЕЛАЦИОННАТА ОПЕРАЦИЯ “РАЗЛИКА” • Разликата между отношенията R и S представлява множество кортежи, принадлежащи на R, но непринадлежащи на S.Тук отношенията също трябва да са с еднаква арност. • Сложност на алгоритъма: Тизпълнения = O(n*m), където: n е броят на стойностите на атрибутот отношение R, m е броят на стойностите на атрибутот отношение S.

21. АЛГОРИТЪМ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА “ДЕКАРТОВО ПРОИЗВЕДЕНИЕ” • Декартовото произведение на отношенията R и S, представлява множество кортежи с дължина k1+k2, чиито първи k1 компоненти образуват кортежи, принадлежащи на R, а последните k2 - кортежи, принадлежащи на S. • Сложност на алгоритъма: Тизпълнения = O(n*m), където: n е броят на стойностите на атрибутот отношение R, m е броят на стойностите на атрибуот отношение S.

22. АЛГОРИТЪМ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА РЕЛАЦИОННАТА ОПЕРАЦИЯ “СЕЛЕКЦИЯ” • Две отношения R и S се пресичат, когато се формира от тях ново отношение R1 по следния начин R1=R - (R - S ). • Сложност на алгоритъма: Тизпълнения = O(n*m), където: n е броят на стойностите на атрибутот отношение R, m е броят на стойностите на атрибутот отношение S.

23. АЛГОРИТЪМ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА РЕЛАЦИОННАТА ОПЕРАЦИЯ “СЪЕДИНЕНИЕ” • Ако на съединение подлежат отношенията R(X,Y)иS(Y,Z), където Y представляват всички атрибути, общи за R и S. За реализиране на естествено съединение трябва да се изпълнят следните действия: • Изпълнение на операцията Декартово произведение над отношенията RиSкато резултата се записва в ново отношение Temp(X,Y,Y,Z) ; • Изпълнение на операцията “Селекция” над отношението Temp, като се намерят еднаквите стойности на атрибута Y, общ и за двете отношения. • Сложност на алгоритъма: Тизпълнения = 2*n*m=O(n*m), където: n е броят на стойностите на атрибутаот отношение R, m е броят на стойностите на атрибутот отношение S.

24. АДАПТИРАНЕ НА АЛГОРИТМИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ДОПЪЛНИТЕЛНИ ОПЕРАЦИИ НАД ДАННОВИОТНОШЕНИЯ • Алгоритъм за изпълнение на операцията “Сумиране”; • Алгоритъм за изпълнение на операцията “Преброяване”; • Алгоритъм за изпълнение на операцията за намиране на “Средно аритметично”; • Алгоритъм за изпълнение на операцията за намиране на “Минимален елемент”; • Алгоритъм за изпълнение на операцията за намиране на “Максимален елемент”; • Алгоритъм за изпълнение на операцията “Сортиране”.

25. АЛГОРИТЪМ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА АГРЕГАТНАТА ОПЕРАЦИЯ “СУМИРАНЕ” • Изпълнението на този алгоритъм се състои в добавяне на стойността на избрания атрибут Ai от заредения в оперативната памет кортеж към натрупваната сума SUM(Ai)от стойности на атрибутаAi . • Сложност на алгоритъма: Тизпълнения= O(n), където: n е броят на стойностите на даден атрибут.

26. АЛГОРИТЪМ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА АГРЕГАТНАТА ОПЕРАЦИЯ “ПРЕБРОЯВАНЕ” • Изпълнението на този алгоритъм се състои в увеличаване на стойността на брояча с единица за всеки кортеж, отнасящ се към разглежданата група. • Сложност на алгоритъма: Тизпълнения= O(n), където: n е броят на стойностите на даден атрибут.

27. АЛГОРИТЪМ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА “СРЕДНО АРИТМЕТИЧНО” • Всяка от стойностите се изчислява чрез използване на описаните алгоритми за изчисление на брой и сума. Резултатът от операцията е частното от деленето на сумата на съдържанието на брояча. • Сложност на алгоритъма: Тизпълнения= O(n), където: nе броят на стойностите нададен атрибут.

28. АЛГОРИТЪМ ЗА НАМИРАНЕ НА “МИНИМАЛЕН И МАКСИМАЛЕН ЕЛЕМЕНТ” • За функцията Min(Ai) алгоритъмът се състои в сравняване стойността на атрибута Aiот заредения кортеж със съхраняваната минимална стойност. Ако текущата стойност Aiе по-малка от минималната, същата се съхранява във вид на минимална стойност. • Алгоритъмът за максимална стойност е подобен. • Сложност на алгоритмите: Тизпълнения= O(n), където: nе броят на стойностите на даден атрибут.

29. АЛГОРИТЪМ ЗА НАМИРАНЕ НА “МИНИМАЛЕН И МАКСИМАЛЕН ЕЛЕМЕНТ” Алгоритъм за намиране на минимален елемент Алгоритъм за намиране на максимален елемент

30. АЛГОРИТЪМ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ОПЕРАЦИЯТА “СОРТИРАНЕ” • Използва се метода за сортиране чрез размяна (метода на “мехурчето”). • Сложност на алгоритмите: Тmin= O(n-1)=O(n), Тmax= (n-1)+(n-2)+…+1= =O(n(n-1)/2)=O(n2), където: n е броят на стойностите на даден атрибут.

31. НАЧАЛНА СТРАНИЦА НА САЙТА ПО ДИСЦИПЛИНАТА “БАЗИ ОТ ДАННИ”

32. МЕНЮ ЗА ИЗБОР НА РЕЛАЦИОННИ И АГРЕГАТНИ ОПЕРАЦИИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

33. Графичен интерфейс за избор на таблици и техните атрибути, участващи в операция „Разлика”. Връзки, които извеждат определение и алгоритъм за операцията. Допълнителен прозорец на браузера, съдържащ определение за операцията „Разлика”. ИНТЕРФЕЙС ЗА ОСЪЩЕСТВЯВАНЕ НА РЕЛАЦИОННАТА ОПЕРАЦИЯ “РАЗЛИКА”

34. ИНТЕРФЕЙС ЗА ОСЪЩЕСТВЯВАНЕ НА РЕЛАЦИОННАТА ОПЕРАЦИЯ “РАЗЛИКА” Допълнителен прозорец на браузера, съдържащ алгоритъм за изпълнението на операция „Разлика”

35. ЗАКЛЮЧЕНИЕ • Направен е аналитичен обзор на съществуващите програмни среди за електронно обучение; • Формулирани са целта и задачите на дисертацията; • Разработени са алгоритми за изпълнение на операциите над даннови отношения проекция, селекция, разлика, обединение, декартово произведение, сечение и естествено съединение, въз основа на техните дефиниции; • Разработени са и са адаптирани за работа с данни, съхранени в базите от данни, алгоритми за изпълнение на обобщаващите операции сумиране, преброяване, изчисляване на средно аритметично, намиране на минимален и максимален елемент и сортиране; • Извършена е оценка на сложността на разработените алгоритми; • Проектирани и реализирани са програмни модули за изпълнение и онагледяване на предложените алгоритми за целите на виртуалната лаборатория по дисциплината „Бази от данни”.

36. ЗАДАЧИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ ПРЕЗ ВТОРАТА ГОДИНА ОТ ДОКТОРАНТУРАТА • Да се предложат необходимите алгоритми и разработят съответните програмни модули за изпълнение и онагледяване на процедурите за проектиране, реализиране и използване на базите от данни; • Интегриране на създадените интерактивни инструментални средства във виртуална лаборатория; • Да се предложат критерии и методика за изследване на ефиктивността на програмната среда за електронно обучение.

37. УЧАСТИЕ В ПРОЕКТИ 1.BG051PO001/07/3.3-02 “Подкрепа за развитието на докторанти, постдокторанти, специализанти и млади учени” 2. 09-РУ-08 “Създаване, изследване и внедряване на информационно-справочна система “ДОКТОРАНТ”

38. ПУБЛИКУВАНИ ДОКЛАДИ • Arsova, E., S. Arsov, A. Smrikarov. Developing Algorithms for Execution of the Basic Relational Operations for the Purposes of a Virtual Laboratory, Proceedings of the International Conference on Information Technologies(InfoTech-2008), 19-20 Sept. 2008, Varna, Bulgaria. • Arsova, E., S. Arsov, A. Smrikarov. Adaptation of the Algorithms for Execution of the Aggregate Operations for the Purposes of the Virtual Laboratory on “Databases”. Proceedings of the University of Rousse, 31.10-01.11.2008, Rousse, Bulgaria. ПРИЕТ ЗА ПУБЛИКУВАНЕ – 1 ДОКЛАД

39. БЛАГОДАРЯ ВИ ЗА ВНИМАНИЕТО !