---

      Источник: Kokoreva, E. V. Development of software based on gamification principles for university educational environment / E. V. Kokoreva, K. I. Shurygina // Экономика и качество систем связи. – 2024. – № 4 (34). – С. 180–188.

---

Разработка программного обеспечения на основе принципов геймификации для образовательной среды вуза

Кокорева Е.В., Шурыгина К.И.

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики

Аннотация: Статья посвящена созданию сетевого симулятора. Авторы разработали сценарии, алгоритмы и программные коды для обучающего приложения, предназначенного для внедрения в университетскую образовательную среду. Разработанное приложение служит симулятором работы системных администраторов и инженеров сетей связи, что позволяет обучать студентов сетевым технологиям в форме игры. Приложение было протестировано в ходе настоящих занятий и получило обратную связь от целевой аудитории.

Ключевые слова: высшее образование; цифровая образовательная среда; геймификация; виртуальная аудитория; инфокоммуникационные сети; сетевые симуляторы; разработка программного обеспечения.

Введение

Процессы, происходящие в современной России и затронувшие все сферы человеческой деятельности, направлены на повышение уровня и качества жизни людей. Широкое внедрение цифровых технологий в промышленность, экономику, культуру, торговлю, медицину и образование, вызванное стремительным развитием информационных технологий, микроэлектроники и связи, должно привести не только к росту национального благосостояния, но и к преодолению отставания России от развитых стран по многим показателям.

Согласно федеральному проекту "Цифровая образовательная среда", цифровая трансформация системы образования требует от преподавателей высшей школы частично или полностью отказаться от традиционных методов представления учебных материалов аудитории и перейти к инновационным формам обучения, таким как анализ ситуаций, дискуссии, мозговой штурм, проблемные лекции, проектная деятельность.

Университетская образовательная среда применяет игровые технологии как одно из эффективных средств повышения интереса студентов к учебе и их вовлеченности в учебный процесс.

Геймификация как процесс внедрения игрового мышления и игровых элементов в неигровые контексты: работу, учебу и повседневную жизнь, была предложена в 2002 году программистом Ником Пеллингом, а затем консультантом по кадрам Гейбом Зихерманом.

В процессе обучения возможно как частичное применение игровой технологии, например, в виде балльно-рейтинговой оценки достижений студента, так и полное погружение в игровую методологию с использованием виртуальных тренажеров или учебных устройств для получения необходимых знаний, навыков и умений.

Преподаватели дисциплин, связанных с инфокоммуникационными технологиями, часто используют так называемые сетевые симуляторы при выполнении лабораторных и практических работ, курсовых работ, расчетов и других заданий. В сложившихся обстоятельствах такие удобные и бесплатные программные продукты, как Cisco Packet Tracer, OMNeT++, Riverbed Modeler, стали недоступны для российского пользователя, и возник вопрос о разработке оригинального программного обеспечения для обучения студентов сетевым технологиям.

Обзор сетевых симуляторов в образовании

Недостаточное финансирование и материальное обеспечение высших учебных заведений привело к тому, что физического оборудования в рабочем состоянии недостаточно (или вообще нет): стендов; технических объектов; измерительных приборов и других инструментов для формирования у студентов практических навыков освоения профессиональных компетенций. Поэтому возникла необходимость замены их программными моделями, имитирующими реальные физические процессы с помощью компьютера.

Сетевые симуляторы используются как инструменты для моделирования сетей и/или устройств связи при изучении телекоммуникационных дисциплин.

Наибольший интерес для преподавателей и студентов представляют следующие программные продукты:

1. Network Simulators (NS-2, NS-3). Каждая версия содержит набор объектов и методов для создания скриптовых моделей распространенных телекоммуникационных систем.
2. Cisco Packet Tracer позволяет строить топологию сети и настраивать ее параметры в визуальном редакторе. Программа позволяет оценить производительность построенной сети с помощью сообщений протокола ICMP (ping), а также выявить ошибки конфигурации и недоступные сегменты сети.
3. OMNeT++ использует язык C++ и среду Eclipse для разработки симуляций. На официальном сайте www.onmetpp.org представлено множество фреймворков, содержащих демонстрационные модели различных инфокоммуникаций (INET, SimLTE, Sim5G и др.), которые с небольшими модификациями могут быть использованы в учебном процессе вуза для изучения соответствующих инфокоммуникационных технологий.
4. AnyLogic - единственный представленный программный продукт, созданный в России. Он может использоваться для имитации сетей связи, сбора статистики по требуемым параметрам, их обработки и отображения характеристик в удобной графической форме.

Программное обеспечение "Virtual Network Administrator Assistant"

Описанные выше продукты, за исключением программной среды AnyLogic, при всех их достоинствах не могут использоваться в российских университетах в настоящее время. AnyLogic имеет ограниченные возможности применения к изучению инфокоммуникаций, так как пакет наиболее подходит для моделирования бизнес-процессов и логистики.

Современная реальность диктует необходимость разработки оригинального программного продукта для лабораторных и практических занятий студентов телекоммуникационных направлений высшего образования. Поставленная перед разработчиками задача заключалась в создании простого в использовании сетевого симулятора с элементами игровых технологий.

Было решено использовать для реализации программного продукта язык программирования Java - один из самых простых и интуитивно понятных объектно-ориентированных языков программирования высокого уровня.

Разработка программного обеспечения выполнялась с использованием игрового движка jMonkeyEngine, который представляет собой проект с открытым исходным кодом, полностью написанный на Java.

Алгоритм работы программного обеспечения описывается ниже.

Программный продукт содержит пять основных классов, схема взаимодействия между которыми представлена на рис. 1:

1. Login - класс, реализующий методы регистрации и аутентификации пользователя и сохранения его учетной записи в игровой базе данных.
2. Theory - вспомогательный класс, который содержит теоретическую информацию по организации телекоммуникационных систем и сетей.
3. Game - класс, предназначенный для выполнения игровых функций (задания, обработчики событий, переключение между экранами и другие).
4. Statistics - класс, отвечающий за накопление очков игроком, хранение очков игрока, переход на следующий уровень игры (в будущем).
5. Help - класс, содержащий справочную информацию и настройки игры.

Результаты

Полученная программа представляет собой набор модулей с теоретическими описаниями процессов управления сетевыми устройствами, протоколами стека TCP/IP и взаимодействия хостов с коммутаторами и маршрутизаторами IP-сетей, а также практические задания, которые студенты могут выполнять для изучения навыков сетевого администрирования в игровой форме.

Экранные формы программы номинально отображают рабочую среду, а визуальные эффекты номинально отображают реальную последовательность действий телекоммуникационного инженера. В области конфигурации сети присутствуют элементы программирования для операционной системы Linux.

На рис. 2-5 содержатся фрагменты игровой вселенной, предназначенные для внедрения в образовательную среду университета для обучения студентов телекоммуникационным технологиям методом геймификации.

Окна выбора помещения, выбора оборудования и действий сетевого администратора по подключению устройств связи и хостов к сети показаны на рис. 2-3.

На рис. 4-5 демонстрируется, как сетевой администратор работает с операционной системой и утилитами для настройки и конфигурации устройств связи через рабочий терминал эмулятора ОС Linux.

Зарегистрированный пользователь, прогрессирующий в игре, накапливает очки, которые затем, во-первых, позволяют преподавателю оценить понимание студентом предмета, а во-вторых, могут быть использованы в самой игре для приобретения подсказок, навыков и украшений рабочего пространства.

Программное обеспечение "Virtual Network Administrator Assistant" было протестировано в качестве обучающего приложения во время практических занятий по дисциплине "Основы администрирования сетевых устройств" со студентами 2 курса направления "Электроника, радиотехника и системы связи". Опрос прошли 4 группы студентов, от 14 до 20 человек в каждой, общее количество участников составило 68 человек.

Студенты имели возможность выразить свое мнение о своем опыте получения знаний с помощью симулятора и внести предложения по улучшению симулятора.

Симулятор должен был оцениваться по шкале от 1 до 10, где 1 - "совсем не нравится", 10 - "очень нравится".

В конечном итоге средний балл опыта составил 7,2, при этом 70,6% респондентов оценили свой опыт в 7 баллов и выше (рис. 6).

На этом же рисунке показаны результаты опроса о том, насколько симулятор помог в формировании теоретических знаний и практических навыков по дисциплине, также по шкале от 1 до 10. Видно, что большинство студентов высоко оценили помощь симулятора в обучении.

Заключение

Современные обстоятельства требуют от университетских преподавателей более инновационного подхода к учебному процессу. Эти принципы составляют цифровую образовательную среду. В частности, сетевые симуляторы необходимы для преподавания телекоммуникационных дисциплин.

В начале исследования были оценены многие существующие сетевые симуляторы для возможного использования в учебных процессах, но большинство из них либо отсутствуют, либо недоступны для российских пользователей. Стала очевидной необходимость создания оригинального продукта для таких целей.

В результате работы было разработано и протестировано в реальной аудитории высшего учебного заведения обучающее программное приложение. Пользователи, студенты направления "Электроника, радиотехника и системы связи", высоко оценили помощь приложения.

Можно сделать вывод, что программные продукты, имитирующие процессы, происходящие в физической телекоммуникационной сети, могут служить хорошей заменой техническим средствам, оборудованию и учебным стендам при выполнении практических и лабораторных работ в университетской образовательной среде, а также быть источником теоретических знаний, необходимых для выполнения указанных работ.

Кроме того, использование методов геймификации является хорошим способом побудить студентов усваивать новые знания, приобретать навыки и умения, необходимые для их профессиональной деятельности.

Литература

1. Кокорева Е.В. Системы имитационного моделирования в цифровой образовательной среде высших учебных заведений // Труды 7-й Международной конференции Информатизация образования и методология электронного обучения: Цифровые технологии в образовании, 2023. – С. 355-360.
2. Cirneanu A.L., Moldoveanu C.E. Use of Digital Technology in Integrated Mathematics Education // Applied System Innovation, 2024. – V. 7(4). – pp. 1-23.
3. Шурыгина К.И., Дощинский И.В., Кокорева Е.В. Программное приложение для изучения эсперанто как пример геймификации образования // Труды 2023 IEEE 24th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials, EDM, 2023. – pp. 2110-2115.
4. Banfield J., Wilkerson B. Increasing student intrinsic motivation and self-efficacy through gamification pedagogy // Contemporary Issues In Education Research, 2014. – V. 7. – pp. 291-298.
5. Chen J., Liang M. Play hard, study hard? The influence of gamification on students' study engagement // Frontiers in Psychology, 2022. – V. 13. – pp. 1-9.
6. Hanus M.D., Fox, J. Assessing the effects of gamification in the classroom: a longitudinal study on intrinsic motivation, social comparison, satisfaction, effort, and academic performance // Computers & Education, 2015. – V. 80. – pp. 152-161.
7. Kamoltham N., Nakorn K.N., Rojviboonchai K. From NS-2 to NS-3 - Implementation and evaluation // Proceedings of 2012 Computing, Communications and Applications Conference, 2012. – pp. 35-40.
8. Sullivan S., Brighente A., Kumar S.A.P., Conti M. 5G Security Challenges and Solutions: A Review by OSI Layers // IEEE Access, 2021. – V. 9. – pp. 116294-116314.
9. Bhola A., Jain A., Lakshmi B.D., Lakshmi T.M., Hari C.D. A Wide Area Network Design and Architecture using Cisco Packet Tracer // Proceedings of 2022 5th International Conference on Contemporary Computing and Informatics (IC3I), 2022. – pp. 1646-1652.
10. Kundu K., Chaurasia S., Pandey P., Gupta M., Gatla R. K. Simulating a Local Area Network with Cisco Packet Tracer: A Comprehensive IP Packet Switching Network Demonstration // Proceedings of 2023 International Conference on Power Energy, Environment & Intelligent Control (PEEIC), 2023. – pp. 247-252.
11. Duvvuri K., Kanisettypalli H., Kunisetty J., Khanna M. Design and Implementation of Smart Classroom Using Cisco Packet Tracer // Proceedings of 2023 International Conference on Advances in Electronics, Communication, Computing and Intelligent Information Systems (ICAECIS), 2023. – pp. 116-120.
12. Кокорева Е.В. Применение сетевого симулятора OMNet++ для изучения телекоммуникационных технологий // Труды 61-й межвузовской научно-методической конференции, 2020. – С. 174-181.
13. Manzoor S., Manzoor M., Manzoor H., Adan D.E., Kayani M.A. Which Simulator to Choose for Next Generation Wireless Network Simulations? NS-3 or OMNeT++ // Engineering Proceedings, 2023. – V. 46 (1). – pp. 1-8.
14. Mages A., Mieth C., Hetzler J., Kallat F., Rehof J., Riest C., Schafer T. Automatic Component-Based Synthesis of User-Configured Manufacturing Simulation Models // Proceedings of 2022 Winter Simulation Conference (WSC), 2022. – pp. 1841-1852.
15. Venkateswaran J., Shiradkar S., Choudhary D. Agent Based Learning Environment for Survey Research // Proceedings of 2022 Winter Simulation Conference (WSC), 2022. – pp. 2991-3002.
16. Кокорева Е.В. Использование среды имитационного моделирования AnyLogic в учебном процессе // Труды 62-й межвузовской научно-методической конференции Возможности и перспективы цифровой экономики в науке и образовании, 2021. – С. 251-258.
17. Ooms J., Hubl A. Applying a Hybrid Model to Solve the Job-Shop Scheduling Problem with Preventive Maintenance, Sequence-Dependent Setup Times and Unknown Processing Times. Proceedings of 2022 Winter Simulation Conference (WSC), 2022. – pp. 1750-1761.
18. Zhang Y., Liang R., Qi Y., Chen H., Li B. A Novice Framework for Learning Java in Higher Education // Proceedings of 2021 7th Annual International Conference on Network and Information Systems for Computers (ICNISC), 2021. – pp. 777-781.
19. Myalapalli V.K., Geloth S. High performance JAVA programming // Proceedings of 2015 International Conference on Pervasive Computing (ICPC), 2015. – pp. 1-6.
20. Chen B., Cheng H. H. Interpretive OpenGL for computer graphics // Computers & Graphics, 2005. – V. 29 (3). – pp. 331-339.
21. Кокорева Е.В., Шурыгина К.И., Дощинский И.В. Виртуальный помощник сетевого администратора // Труды 65-й межвузовской научно-методической конференции Высшее и среднее профессиональное образование в современной России: опыт и перспективы развития, 2024. – С. 118-124.