Математическое и программное обеспечение для построения и реализации предметно-ориентированных иус из условий идентифицируемости и прослеживаемости

Информатизация и автоматизация процессов в различных предметных областях является характерной чертой научно-технического прогресса. Развитие и широкое применение информационных и коммуникационных технологий является глобальной тенденцией мирового развития и научно-технической революции последних десятилетий, поглощающих значительные экономические ресурсы. Необходимость совершенствования математического и программного обеспечения непосредственно управленческой деятельности в выделенных ПО, по сути, обусловлена дальнейшим развитий идей академика В.М. Глушкова о необходимости тотальной централизации всей управленческой информации в единой общегосударственной автоматизированной системе (ОГАС). Требования централизации сменили идеи разумной децентрализации с требованием унификации информации и программного обеспечения. Это открывает возможность повысить эффективность использования информационного обеспечения, оборудования и др. ресурсов.

Для успешной реализации новой информационной системы должны быть разработаны новые средства математического и программного обеспечения, ориентированные на исследуемые ПО, представляемые в форме формальных системных моделей.

Построение Системной семантической модели на примере двух ПО: производственной деятельности предприятия и совершенствования учебного процесса университета с учетом внешнего контура качества и требований работодателя.

Для управления и повышения качества бизнес-процессов стандартом ГОСТ Р ИСО 9001:2008 [3] рекомендовано применение цикла PDCA (Plan–Do–Check–Act), который иначе называют циклом Деминга (циклом Шухарта – Деминга).

Этапы, основанные на применении процессного подхода и цикла PDCA, для предметных областей производственных и образовательных процессов можно представить следующим образом:

• •    Планирование (Plan) – на данном этапе определяются основные требования к процессу подготовки обучающихся со стороны работодателей и со стороны университета: разрабатываются основные профессиональные образовательные программы (ОПОП), учебные планы, компе-тентностные модели, проектируются фонды оценочных средств, планируется ресурсное обеспечение учебного процесса, включая перечень необходимых информационно-коммуникационных технологий и т. д.

• •    Выполнение (Do) – на данном этапе формируется нагрузка профессорско-преподавательского состава, в качестве совместителей привлекаются специалисты предприятий, формируются списки рецензентов и руководителей производственных практик, выпускных квалификационных работ, составов государственных аттестационных комиссий и др. В соответствии с графиком обучения и согласованным расписанием проводятся учебные занятия, в том числе и на материально-технической базе предприятия.

• •    Проверка (Сheck) – на данном этапе проводится итоговая аттестация обучающихся и защита ВКР вузом совместно со специалистами предприятия.

• •    Действие (Act) – на данном этапе производится оценка соответствия результатов обучения требованиям государства и работодателей. На основе результатов проведенного анализа вносятся коррективы в документацию, регламентирующую учебный процесс: ОПОП, учебные планы, программы практик, программы итоговой государственной аттестации, фонды оценочных средств, рабочие программы дисциплин и т. д.

В работе [5] описана семантическая модель непрерывного совершенствования учебнопроизводственных процессов на уровне выпускающей кафедры, отражающая реализацию типовых учебно-методических процессов в едином информационном пространстве. Данная модель позволяет формально описать структуру этого пространства в терминах объектов и их характеристик, а также при помощи функций показать правила взаимодействия бизнес-процессов. Все функции, введенные в данную модель, реализуются в виде конкретных сценариев в интерактивном режиме.

Однако предложенная в работе [5] модель в недостаточной степени учитывает так называемый внешний контур качества образовательного процесса в части взаимодействия вуза с предприятиями-работодателями.

Исправим указанные недостатки.

Введем следующие обозначения:

Φ(St) – функция, характеризующая уровень знаний, умений и владений обучаемого St ;

• R    – множество целей учебного процесса, зафиксированных в соответствующих регламентирующих документах (ОПОП, учебных планах, программах практик и итоговой аттестации, рабочих программах и др.): R={r ₁ , ..., r _d } ;

• Z (R) – функция получения регламентирующей документации (учебных планов, программ практик, рабочих программ дисциплин, фондов оценочных средств и др.) на основе множества целей;

• Y(R) – функция стандартизации полученного опыта, на основе которого может быть сформировано множество уточненных целей;

F={f 1 ,..., fi ] } ∈ Q – функция, описывающая требования к уровню знаний, умений, владений (ЗУВ) у обучаемых со стороны государства;

Ψ={ ψ ₁,..., ψ _i2 } ∈ M – функция, описывающая требования к уровню ЗУВ обучаемых со стороны предприятий-работодателей;

H={h 1 ,...,hi₃ } ∈ M – функция, описывающая требования учебного управления вуза к уровню ЗУВ обучаемых по направлениям подготовки);

M – множество требований работодателей к специалисту;

Q – множество (совокупность) знаний, умений, владений, удовлетворяющих требованиям государства, т. е. эталонная модель обучаемого.

Отметим, что в идеальном случае H=F ∪ Ψ , но в реальной ситуации происходит корректировка требований вуза под изменяющиеся требования работодателей, поэтому в некоторые моменты времени это соотношение может не выполняться.

Из множества требований работодателей к специалисту M можем выделить подмножество V={V 1 , ..., V m }, которое используется в основных критериях оценок и удовлетворяет непротиворечивости вышестоящим функциям.

Аналогично, из множества Q можем также выделить подмножество X={X 1 , ..., X n }, которое используется в основных критериях оценок учебным управлением университета, и подмножество L={L 1 , ..., L k }, которое используется в основных критериях оценок органами в сфере образования РФ. Можем ввести следующие обозначения:

GC u (X) – подмножество критериев оценки качества знаний, умений, владений на стадиях ЖЦ подготовки обучаемого с точки зрения учебного управления университета;

GC r (V) – подмножество критериев оценки качества знаний, умений, владений на стадиях ЖЦ подготовки обучаемого с точки зрения предприятия-работодателя;

GC ra (L) – подмножество критериев оценки качества знаний, умений, владений на стадиях ЖЦ подготовки обучаемого с точки зрения органов в сфере образования.

На рис. 1 приведено графическое представление модели совершенствования учебного процесса с учетом внешнего контура качества. Следовательно, Φ(St) ≥ Ψ – критерий соответствия знаний, умений, владений обучаемого требованиям работодателей. В процессе планирования учебного процесса появляются документы, которые и определяют проведение процесса подготовки обучаемых, учитывая требования предприятия-работодателя к будущему выпускнику.

one

Уточненные требования

Требования

Уточненные планы, методики, цели

R ′= R ⊗ Y ′

Требования к учебному процессу

GC u (X)

Учебное управление университета

Φ (St) ≥ Н

GC r (V)

ун

Предприятия; ^ — (работодатели)

GC ra (L)

Органы в сфере4^ образования РФ41 (министерство образования, росаккредагенст во и др.)

Анализ, корректировка, совершенствование учебного плана, УМК, положений и т.д.

Планирование учебного процесса: учебного плана, специалистов, разработка

УМК, Положений по

* практикам и т.д.

Документация предприятия (регламентирующая учебный процесс университета)

Заключение о

достижении (не

достижении) целей процесса

И Y ′ = Y ⊗ Φ′ (St)

А*! Р

Примерные учебны^ \ планы, расписание, УМК (в т.ч. электронный)

Z′(R) =Z(R) ⊗ R′

Нормативнораспорядительная документация университета

St) ≥Ψ

Φ (St) ≥ F

Контроль знаний: t ВКР, защита практик, ► рецензии к ВКР, государственная .аттестационная комиссия •И др.

Проведение учебных занятий: Лекций, семинаров, практик в том числе и на материальнотехнической базе предприятия

Отчеты, рефераты и т.п. (журнал, в т.ч. электронный)

Φ′ (St) = Φ (St) ⊗ Z(R)

Системные модели учебного процесса

Гетерогенное ХД и правил

Рис. 1. Модель совершенствования учебного процесса с учетом внешнего контура качества

На данном этапе определяется порядок и график проведения учебных занятий на базе промышленного предприятия, необходимое оборудование, информационные технологии и др. документы представлены в виде Z(R). Последующий этап – процесс обучения – регламентирован документами, сформированными на предыдущем этапе. В процессе обучения имеющиеся у объекта St знания, умения и владения пополняются новыми значениями Φ ′ (St) , которые определены функцией целей учебного процесса Z(R) . Речь идет о некотором полилинейном отображении f:Φ(St) × Z(R) → Φ^'(St) , которое может быть рассмотрено в виде объектов некоторой категории. Т. е. если f:Φ(St) × Z(R) → Φ₁^' (St) и g:Φ(St) × Z(R) → Φ^'₂(St) , то морфизм f → g может быть определен, как гомоморфизм h:Φ₁(St) → Φ₂(St) , для которого коммутативна диаграмма:

Φ(St) и Z(R) . Т. е. имеем формулу:

Ф ^, (St) = Ф(St) 0 Z(R) ,

универсальный объект этой диаграммы есть тензорное произведение где знак 0 - тензорное произведение, которое отражает взаимодействие объектов по какому-либо правилу [7]. При некотором выборе базиса можем перейти к матричному исчислению.

Значение величины Ф ' (St) определяется по результатам текущей, промежуточной, итоговой аттестации. Проверка ограничения Φ(St) ≥ F осуществляется, например, в форме федерального Интернет-экзамена в сфере профессионального образования, федерального Интернет-экзамена для выпускников бакалавриата и иных формах независимой оценки качества подготовки обучающихся на соответствие знаний требованиям федеральных образовательных стандартов высшего образования (ФГОС ВО). Соответствие обучаемых в вузе требованиям предприятий-работодателей определяется в ходе прохождения ими учебных, производственных, преддипломных практик, выполнения курсовых, дипломных проектов по тематике работодателя, совместное проведение НИР, НИОКР и т. д. Учебное управление университета в соответствии с требованиями предприятий-работодателей к уровню знаний, умений, владений обучаемых, отраженных в профессиональных стандартах и прочих регламентирующих документах, вводит изменения в ОПОП, учебные планы, рабочие программы дисциплин и т.п.

Вердикт о достижении или не достижении целей учебного процесса может быть сформирован на базе системы:

O(St) > У , O(St) >  F.

В результате формируется множество Y'(R) = Y(R) 0 Ф(St), на основе которого может быть сформировано множество уточненных целей R', представленных формулой:

R =R 0 Y ' (R).                                                                       (3)

Учитывая приведенные рассуждения, формирование новых регламентирующих документов, может быть представлено формулой Z ' (R)=Z(R) 0 R ' .

Изменения, поступающие с внешнего контура качества, например, изменение конкурентной среды предприятия-работодателя, изменение документов, регламентирующих процесс государственной аккредитации, отражаются на характеристиках учебного процесса: корректируются и совершенствуются учебные планы, рабочие программы, фонды оценочных средств, нормативнораспорядительные документы университета и т. п.

Между объектами выбранных подмножеств критериев каждого ведомства (GCu, GCr, GCra) могут быть установлены соответствия, реализующие сопоставление (отображение) критерия определенному критерию другого ведомства. Т. е. существуют Xi, Vj, Le, при которых эти значения либо равны GCu(Xi) = GCr(Vj) = GCra(Le), где i e[1,n], je[1,m], e e[1,k], либо существуют их отображения между собой. Данные подмножества образуют категории, для каждой пары объектов которых задано множество морфизмов. Причем выполняются аксиомы теории категорий (операция композиции ассоциативна и тождественный морфизм действует тривиально). Связь между объектами категорий реализуют отображения, сохраняющие структуру – функторы. Объектами в этой категории являются множества, морфизмами – отображения множеств. Можем сделать следующие выводы: приведенное подмножество критериев оценки образует класс объектов. Для любых двух объектов из данного класса (обозначим GCu(X1) и GCu(X2) ) установлено множество морфизмов Hom(GCu(X1), GCu(X2)), для которых определена их композиция, например, gGcu e Hom(GCu(Xi),GCu(X2)), fGcu e Hom(GCu(X2),GCu(X3)), gGCu ° fGCu e Hom(GCu(Xi),GCu(X3)).

При этом операция композиции ассоциативна и тождественный морфизм действует тривиально, т. е. подмножество критериев оценки на стадиях ЖЦ учебного управления университета образуют категорию множеств. Проводя аналогичные рассуждения для GCr (V) и GCra (L) , приходим к тем же результатам. Отсюда в качестве объектов учета можем принять множество характеристик обучающихся – Stq, определив им в качестве параметров подмножества X, V и L, по значениям которых может определяться степень соответствия приведенным выше критериям т. е.

Stq=.

Взаимодействие внешнего контура качества для значения величин, с учебным процессом представимо диаграммой, приведенной на рис. 2, где представлены объекты внешнего контура качества в виде многомерных матриц приведенных выше критериев: для предприятий-работодателей – GCr(V), органов в сфере образования РФ – GCra(L), учебного управления университета – GCu(X). В результате внешний контур качества образует вертикальные связи в виде совокупности взаимосвязанных задач, направленных на достижение критериев описанных выше, т. е. биз- нес-процессов, при выполнении следующих условий (возможности совместимости ведомствен- ных критериев):

GC u (Stq) ∩ GC ra (Stq) ≠ ∅ , GC_u(Stq) ∩ GC_r(Stq) ≠ ∅ .

Таким образом, может быть учтена семантическая составляющая взаимодействия объектов в ОПС в течение стадий жизненного цикла и применена модель единого хранилища данных для систематизации процессов сбора и обработки данных об учебном процессе.

Внешний контур качества

(GC(X))

GC u (X)

GC r (V)

Учебное управление университета

GC ra (L)

Предприятия-работодатели

X i

V

*■ L

6с»

Ψj tHn

Рис. 2. Графическое представление взаимодействия внешнего контура качества с учебным процессом

Органы в сфере образования

Учитывая наличие рекуррентных соотношений внутри модели совершенствования учебного процесса и наличие описанной выше связи между объектами категорий, реализующих отображения, с сохранением структур (функторов), представляется возможным для совмещенного процесса применить принцип организации цикла Деминга. Наличие математического описания и приведенных формул (1)–(5) позволяет сформировать структуру референтной модели рассматриваемой предметной области в виде модели математической категории множеств. Совмещение теоретикомножественного представления приведенных положений и принципа организации цикла Деминга предоставляет возможность применения инкрементной модели, а также использования для правильного отображения основных свойств данного процесса как системы математических моделей реальных объектов и язык теории категорий множеств. Все это позволяет применить для анализа и прогнозирования состояний системы математический аппарат, а выделенная при этом рекурсивная зависимость (3) позволяет организовать процесс адаптации модели на каждой стадии ЖЦ учебного процесса.

Пример реализации процесса подготовки обучаемых в ОПС

Фун к ц и и , оп и с а н н ы е в м од ели, представленной на рис. 1, могут быть де та л и зи ров а н ы в в и де струк ту ры программ н о го обе с п ечения для реализации референтной модели уп ра в ле н и я с и с пользованием кросс-п л а тформе н н ых информационных технологий, например, BP MN, и д а лее реа л изов а н ы в в и д е к онк ре тн ых сц енариев в интерактивном режиме в подсистем а х ОПС, н апример, в M oodl e . От мет и м, что м од е л ь , представленная на рис. 1, применима для ра зли чн ых к а тегори й о б у ча е мых, в том чи с л е и д ля о бучающихся по дополнительным программам п роф е сс и она льн ог о образования.

Р ас с мотри м п ри ме р так о й ре а л и з аци и для п роц е сс а орга н и за ц и и и проведения курсов повыше н и я к валифи ка ц и и с исп ол ьзовани ем С Э О н а пл а тформе Moo dle .

На ри с . 3 п р е д с та в л е н п р имер динамической модели данного процесса в н о та ц и и B PMN [8]. Диаграмма бизнес-п роц е сс а разделена на дорожки, которые отобража ю т организационнор оле в у ю с тру к ту р у п роц е с с а ( в заимодействующие между собой объекты). При э том и н форма ц ио нн ое вза и мод ействи е м еж д у участниками процесса отображается в виде поток ов д а н н ы х ( п ок аза н ы п ун к ти рн ой л ин и е й на ри с . 3 ) , а п о с лед ов а те л ьн ос ть в ып олне н и я действий – в виде потоков о пера ц и й ( с плош н а я ли ни я) . Формализация ролевой структуры процесса може т и ме ть также з нач имый с оц и а л ьн ый эффек т в снижении противоречий между участниками п роц е с са и п ов ы ш е н ия и х органи зов а н н ос ти , к ак э то отме че н о в [6].

Представлен на я н а ри с . 3 модель была реализована в виде интерактивн ого с ц е н а ри я в С Э О M o o d l e, вх о дя щей в со ст а в О ПС, созданной между филиалом УГАТУ в г. Ку м ерт ау и АО «К ум е р-тауск ое а в и а ц и он н ое про и зв од ственное предприятие» (КумАПП). СЭО Moodle у с п еш н о и с п о льзуется в фи л и а ле в п роц е с с е п одготовки бакалавров и специалистов. Для п р ов е д е н и я к у рс ов пов ы ш е н и я к в али фик а ц и и с отрудников КумАПП в СЭО были разработаны р а зли чн ые в и ды у чебн ого к он т ен та , в том чи с ле д ля контроля результатов обучения (в форме тес ти ров а н и я, к он трольн ы х з ад а н и й , в ып уск н ой а тте ста ц и онн ой р а б от ы и т. п.).

Рис. 3. BPMN-модель процесса организации и проведения курсов повышения квалификации для сотрудников предприятия

На основе стандартных отчетов по результатам обучения и доработок, сделанных для системы Moodle на кафедре АСУ по использованию многомерного анализа данных с предварительным построением OLAP кубов, могут быть сделаны заключения о степени достижения целей учебно- го процесса, а также о мерах по его усовершенствованию (качество учебных материалов, методика преподавания, параметры учебного плана, техническое оснащение и т. п.). На рис. 4 приведен пример аналитического отчета, созданного по технологии ROLAP с использованием компонента ActiveX для браузера Internet Explorer.

Рис. 4. Пример аналитического отчета по результатам тестирования в СЭО Moodle

Да н н ый отче т отр а ж а е т ра спределение результатов тестирования по ди с ци п ли н е ( ос ь Х – баллы за тест, ось Y – ко ли че ство студентов в потоке, набравших количество б а ллов в у к а за н н ом диапазоне). Стру к ту ра отче та мо жет оперативно быть изменена пользователем в з а в и с и мос ти от его те к у щ и х и н форм а ц и о н ны х п отребностей. Например, можно получить да н н ые о ра с пре дел е н и и рез у ль та тов п о г руп п е с ту д ентов, количестве попыток студента пройти те с ти ров а н и е с у к азан и е м да т ы и п о лу че н н ых ба л лов, посмотреть результаты тестирования сту д е н та п о р а зн ым ди с ц и пл и н а м, сформир ов а ть отч ет о распределении баллов в рамках балльн о -рейтинговой системы курса и т. п.

Заключение

В раб оте п ре д л ож е н а к р ос с -платформенная информационная технология проектирования и р е а ли за ц и и форма л ьн ой с е ма н ти ческой модель комплексной ПО (производс тв е н н ой и об ра зов а тельн ой д е яте л ьн ос ти ): сов е рш е н с тв ов а н и я у че б н о -производственного процесса с учетом внешнего контура качества, б а з и ру ю ща яс я н а п рогр а м мн ых средствах моделирования SADT (BPwin, ERwin), Web-технологии (Java, P hp) BPMN (Runa), Moodle (Html-редактор) и др.

М од ель ИУ С п ос тр ое н а н а основе использования положений теории катег ори й и в с оотв ет стви и с м ет одоло ги е й BPMN (в форме и нтерак т ив н ых сц е н а ри е в в ОПС). В качестве примера п ок аз ано приме н ени е С ЭО Mood le в с ре де W e b-портального информационного пространства ка ф е д р ы и п ре д при яти я д л я п ров едения курсов повышения квалификации для с отру д н и к ов п р е д п ри яти я. В ре зу льта те п ри ме н е н и я оп и с а н н ог о с ц ен а ри я за с че т автоматизации существенно со кра ща е тс я в ре мя н а пр оведе н ие к онтрольных мероприятий и анализ их результа тов .

Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 16-37-00064 мол_а «Программное обеспечение для многоуровневого структурирования контента информационного пространства по системной модели».