Edistymisraportti 2/98

18.11.1998

LEAD-projekti, edistysmisraportti

Lauri Malmi
TKK / Tietotekniikan osasto

1. Yleistä

LEAD-projekti, jossa kehitetään WWW-pohjaista oppimisympäristöä tietorakenteiden ja algoritmien opetukseen, käynnistyi lokakuussa 1997. Tämän vuoden aikana projekti on keskittynyt seuraaviin
asiohin: WWW-työskentely-ympäristön kehittämiseen, vanhan TRAKLA- ja TRAKLA-EDIT-järjestelmän päivittämiseen, suorituskykyanalyysiä varten tarvittavien apuohjelmien laatimiseen sekä uuden
TRAKLA-ympäristön suunnitteluun ja toteuttamiseen. Näitä kutakin käsitellään seuraavassa tarkemmin.

2. Projektin osa-alueiden edistyminen

2.1 WWW-ympäristön kehittäminen

Projekti kartoitti käytettävissä olevia WWW-työkaluja syksyllä 97 ja alkuvuodesta 98. Sen perusteella perusvälineeksi WWW-dokumenttien hallintaan valittiin Hyperwave. Kaikki kurssilla käytössä oleva
WWW-muotoinen materiaali on siirretty sen alaisuuteen. Lisäksi on kehitetty joukko apuohjelmia, joiden avulla dokumenttien päivittämistä on voitu helpottaa ja laajentaa Hyperwaven ominaisuuksia. Samoin
kurssisivujen layout on yhtenäistetty ja sen ylläpitoon on tehty apuohjelmia.

Tällä hetkellä projektin ja oppikurssien sivustot ovat Hyperwaven tietokannassa, josta otetaan päivitysten yhteydessä kopiot sivuista muualle. Näin Hyperwaven puolella voidaan pitää työtietokantaa ja julkistaa sivut vasta kun ne ovat valmiita. Järjestelmä on nyt siinä kunnossa, että meillä on valmiit ja toimivat välineet ja käytännöt toteuttaa kaikki uusi oppimateriaali suoraan WWW-pohjaisena ja liittää ne mukaan olemassa olevaan aineistoon Hyperwaven alaisuudessa. Uutta oppimateriaalia ei ole kevään jälkeen kirjoitettu suuremmin - se toteutetaan pääosin ensi vuoden alussa, kun tietorakenteiden ja algoritmien kurssi pidetään seuraavan kerran TKK:lla. Siinä vaiheessa myös lähes kaikki olemassa oleva luentomateriaali muunnetaan WWW-muotoon, jolloin luennot voidaan pitää käyttäen uutta tekniikkaa.

Hyperwavea on ryhdytty käyttämään myös joidenkin TML-laboratorion kurssien ylläpitoon niiden kokemusten perusteella, joita olemme siitä saaneet. Olemme järjestäneet sitä varten heille tunnukset Hyperwaveen, jotta he voivat hoitaa asiansa täysin itsenäisesti.

2.2 Vanhan TRAKLA-järjestelmän kehittäminen

Keväällä vanhan TRAKLA-palvelimen koodia parannettiin paloittain, mutta mitään suuria muutoksia asiassa ei ole tehty, kun tavoitteena on korvata se uudella järjestelmällä. Sama koskee WWW-pohjaista käyttöliittymää.
Syksyllä 98 Markus Kolsi aloitti projektissa osa-aikaisena työntekijänä, jonka työnä on laatia uusia graafisia tehtäviä vanhaan järjestelmään, jotta niitä voidaan käyttää jo kevään 99 kurssilla. Uusi järjestelmä tulee käyttöön vasta syksyllä 99. Markus on tutustunut nykyiseen WWW-TRAKLAan ja tässä vaiheessa (marraskuu) lisännyt sinne vasta yhden tehtävän. Hän jatkaa työtään tehtävä kerrallaan ja siirtyy kevään kuluessa mukaan uuden järjestelmän toteutukseen.

2.3 Algoritmianimaatio

Projektissa tutkittiin mahdollisuutta liitttää uuteen ympäristöön mukaan Helsingin yliopiston tietojenkäsittelyopin laboratoriossa kehitetty Jeliot-järjestelmä, jolla voidaan automaattisesti luoda algoritmien animaatioesityksiä. Järjestelmän toiminnassa (meillä käytössä olleissa selaisimissa) oli sen verran ongelmia, että asia lykättiin toistaiseksi eteenpäin. Lisäksi uuteen TRAKLA-järjestelmään tulee itseensä mahdollisuus tehdä animaatioesimerkkejä, jotka ovat vuorovaikutteisempia kuin Jeliotissa.

2.4 Suorituskykyanalyysi

Tässä asiassa projektissa on kehitetty testidatageneraattori, jossa monenlaisten parametrien avulla voidaan luoda testidataa algoritmien suorituskykytestejä varten. Tämän avulla luotiin testidata-aineisto, jota käytettiin viime kevään kurssin yhteydessä oppilasprojektien apuna. Projekteissa oppilasryhmät tekivät kokeellista algoritmitutkimusta vertaillen annettujen ongelmien ratkaisualgoritmeja.

2.5 Opettajan apuvälineet

Ari Korhonen on toteuttanut apuvälineet, joilla TRAKLAn tehtäväkohtaisten pisteiden kertymistä kurssin aikana voidaan seurata WWW:ssä on-line-järjestelmän avulla.

Kurssilla on nyt käytössä palautemekanismi, jolla ensinnäkin kurssin oppilailta voidaan nopeasti kerätä
palautetta opettajan määrittelmiin kysymyksiin ja opettaja saa tulokset suoraan tilastoina. Lisäksi kurssin WWW-sivulla on vapaa palautelomake, jonka kautta palaute tulee opettajalle.´

2.6 Uuden OLIO-TRAKLA-järjestelmän kehittäminen

Uuden ns. OLIO-TRAKLA-järjestelmän suunnittelu aloitettiin keväällä 98 ja osia siitä toteutettiin kesällä. Syksyn 99 alussa sen toteutukseen otettiin mukaan 4 opiskelijan työryhmä, joka opinnäytteenä ja lukuvuoden mittaisena projektina toteuttaa OLIO-TRAKLAn käyttöliittymän (TRAKLA-EDIT), joka valmistuu huhtikuussa 99. Projektin henkilöstö toteuttaa OLIO-TRAKLAn palvelinosuuden.

Uuden järjestelmän perusajatuksena on se, että koko TRAKLA-järjestelmä toteutetaan WWW:n varaan (vanha sähköpostipohjainen järjestelmä jää edelleen käyttökelpoiseksi). Uusia keskeisiä asioita ovat seuraavat:

Opiskelijan tehtävien ratkaisuja ei käsitellä enää pelkkänä lopputuloksena, vaan tarkastuksen kohteena on koko ratkaisuperiaate. Toisin sanoen: ratkaisu esitetään jonona tietorakenteiden tiloja, jotka esittävät tietorakenteen muuttumista annetun algoritmin suorituksen aikana. Oppilaan laatimaa tilajonoa verrataan järjestelmän kehittämään malliratkaisuun ja tulos pisteytetään tämän mukaan.
Oppilas tai opettaja voi selata tietorakenteen tilajonoa edestakaisin askel askeleelta.
Opettajaa varten tehdään käyttöliittymä, jonka avulla hän voi laatia eri algoritmeista esimerkkejä ja tallentaa esimerkit kirjastoon. Täältä niitä voi näyttää toisaalta luentomateriaalina ja toisaalta oppilaat voivat käyttää niitä itseopiskelumateriaalina.

Uudesta järjestelmästä tehtiin erillinen tarkennettu projektisuunnitelma (http://www.cs.hut.fi/~tred/LEAD/WWW-TRAKLA/projektisuunnitelma.html) ja osoittautui, että sen toteuttaminen on varsin vaativa asia. Siksi suunnittelupuoleen ja suunnitelmien kirjaamiseen on kiinnitetty erityistä huomiota ja vastaavasti toteutusta on lykätty tähän syksyyn ja ensi kevääseen. Tällä hetkellä tilanne on seuraava:

Vanhan järjestelmän osia ei ole tarkoitus merkittävässä määrin käyttää hyväksi uudessa järjestelmässä.
Uusi järjestelmä toteutetaan kokonaan Javalla siten, että siinä on kaksi perusosaa: asiakaspää (TRAKLA-EDIT) ja palvelinosa (TRAKLA-palvelin). Edellinen huolehtii tietorakenteiden visualisoimisesta ja käsittelemisestä käyttöliittymän tarjoamin työkaluin. Jälkimmäinen sisältää tarkastusmoduuliin, tehtävien generoinnin ja esimerkkien tallentamisen.
Asiakaspään arkkitehtuuri on suunniteltu siten, että kokonaisuus rakentuu neljästä eri moduulista: varsinaiset tietorakenteet, niiden esitysmuodot, käyttöliittymä ja animaattori. Tetorakenteet ja niiden graafiset esitysmuodot erotetaan toisistaan, koska silloin sama rakenne voidaan esittää useassakin eri muodossa, esimerkiksi puu voidaan esittää taulukkona tai graafisena puuna. Animointiosa käsittelee tietorakenteita ja ymmärtää niiden tilojen muutokset operaatioina, joita tietorakenteeseen voidaan kohdistaa. Käyttöliittymä tarjoaa visuaalisen näkymän rakenteeseen ja välineet sen muuttamiseen.
Tietorakennemoduulin tekniset ratkaisut on suunniteltu ja dokumentoitu yksityiskohtia lukuunottamatta. Osia moduulista on toteutettu.
Tietorakenteiden esitysmuoto -moduulin ratkaisut on suunniteltu ja dokumentoitu.
Käyttöliittymän toiminnot on suunniteltu lähes valmiiksi.
Tehtävien ja esimerkkien tallentamista varten määritellään ns. DSDL-kieli, jonka avulla voidaan määritellä tehtävän tietorakenteet ja niiden sijoittelun ruudulle. Kielen käsitttelyä varten tarvitaan DSDL-jäsennin.
Tarkistaminen hoidetaan siten, että oppilaan koko ratkaisu siirretään TRAKLA-palvelimelle käyttäen hyväksi Java-kielen olioiden sarjallistamismahdollisuutta, jolloin tarkastajan ei tarvitse käyttää mitään välikieltä.
Asiakkaan ja palvelimen välistä kommunikaatiota varten on suunniteltu ja myös toteutettu ns. ATP-protokolla, jonka avulla käyttäjän Appletin tila voidaan kokonaisuudessaan tallentaa palvelimen levylle sarjallistettuna.

TRAKLA-EDITin toteutus aloitetaan vuoden vaihteessa.

2.7 Muuta

LEAD-projektin hyväksyttiin mukaan TKK:n organisoimaan "Kohti Virtuaali-TKK:ta" -hankkeeseen pilottiprojektina. Projekti tavoittelee hankkeessa erityisesti pedagogista asiantuntemusta uuden oppimisympäristön suunnittelussa sekä sen niveltämisessä lähiopetukseen.

3. Projektin henkilöstö

Veikko Siivola on huolehtinut WWW-dokumenttien hallintajärjestelmän suunnittelusta ja toteutuksesta. Lisäksi hän on toteuttanut testidatageneraattorin ja ATP-protokollan. Hän siirtyi marraskuun alussa TKO-laboratorion Webmasterin tehtäviin, mutta jatkaa LEAD-projektissa pienellä osa-aikaisella määräyksellä.

Markus Kolsi otettiin mukaan osa-aikaisena (15 h / vko) henkilönä kehittämään nykyjärjestelmän käyttöliittymää.

Ari Korhonen on suunnitellut uuden järjestelmän ja ohjaa ja valvoo sitä toteuttavaa oppilasryhmää. Oppilasryhmän ottamiseen mukaan projektiin päädyttiin sillä perusteella, että Ari Korhosella ei ole riittävästi aikaa koko OLIO-TRAKLAn toteuttamiseen ja Veikko Siivolan samoin kuin Markus Kolsin kokemus ei siihen riitä.

Lauri Malmin vastuulla on ollut projektin ulkoiset suhteet, oppimateriaalin kehittäminen ja pedagoginen sisältö.

Lauri Malmi ja Ari Korhonen osallistuivat Teknistieteellisen korkeakouluopetuksen pedagogisen asiantuntijuuden työpajaan ja kehittivät siinä yhteydessä merkittävästi kurssin opetusta ja opetusmenetelmiä. Näitä kokemuksia käytetään hyväksi uuden oppimisympäristön suunnittelussa.

4. Jatkosuunnitelmat vuodelle 1999

4.1 OLIO-TRAKLA

Oppilastyönä tehtävä OLIO-TRAKLAn käyttöliittymä (TRAKLA-EDIT) valmistuu huhtikuussa 1999. Kokemusten mukaan saamme silloin käyttöön beta-testiversion, jonka ottaminen tuotantokäyttöön vaatii vielä viimeistelyä ja virheiden korjaamista. Ari Korhonen ohjaa projektin suunnittelupuolta intensiivisesi syksyllä 1998 ja valvoo toteutusta kevään aikana. Tällä pyritään varmistamaan se, että lopputuote on meille käyttökelpoinen ja suunnitelmat on hyvin tehty, jolloin ohjelman laajentaminen ja muuttaminen on joustavasti mahdollista.

Käyttöliittymää tullaan myös kokeilemaan pienessä mittakaavassa kurssin oppilaiden kanssa loppukeväällä, jotta myös oppilaspalautetta saadaan jatkokehityksen ja viimeistelyn tueksi.

Ari Korhonen ja Markus Kolsi rupeavat toteuttamaan TRAKLA-PALVELINta kevään aikana, jolloin tavoitteena on saada järjestelmän perusversio toimimaan loppukeväällä. Tulevat laajennustarpeet, joita
toteutetaan kesällä ja syksyllä, liittyvät käsiteltävän tietorakennevalikoiman monipuolistamiseen.

4.2 Oppimateriaalin tuottaminen verkkoon

Keväällä 99 pidetään TKK:lla kaksi rinnakkaista tietorakenteiden kurssia. Paljon kurssimateriaalia on jo olemassa kurssin WWW-sivuilla, mutta sieltä puuttuu lähes kokonaan luennoilla läpikäytävä aineisto. Tämä aineisto on tarkoitus siirtää ja toteuttaa kevään aikana WWW:hen.