CC BY
10
О подготовке специалистов по направлению «Информационные технологии в процессах
управления»
Е.И. Веремей, зав. кафедрой, профессор факультета ПМ-ПУ СПбГУ, [email protected]
Доклад посвящен рассмотрению научной и методологической концепции формирования нового направления подготовки бакалавров и магистров в Санкт-Петербургском государственном университете. Разработку соответствующих образовательных программ предполагается осуществить на основе и в развитие действующего направления 010400 «Информационные технологии», наряду с его базовым теоретическим преемником 010300 «Фундаментальная информатика и информационные технологии». Формирование нового направления отражает особенности и потребности задач исследования и проектирования систем управления и протекающих в них процессов.
1. Актуальность формирования нового направления
Динамика развития общества в настоящее время требует постоянного совершенствования системы высшего образования, включая привлечение его новых форм, соответствующих насущным потребностям быта, реальной экономики, производства, бизнеса и прочих важнейших сфер, в которых особо значима роль специалистов высшей квалификации. Особое значение в настоящее время придаётся внедрению двухуровневой системы их подготовки, которая должна в значительной мере усилить интеграционные процессы в образовании, сблизить российскую систему обучения и общеевропейские образовательные стандарты.
Вопросам двухуровневой подготовки на протяжении последних десяти лет уделяется существенное внимание на факультете прикладной математики - процессов управления (ПМ-ПУ) Санкт-Петербургского университета. Факультет был создан в октябре 1969 года и основное его назначение с этого момента состоит в обеспечении подготовки специалистов и в проведении научных исследований в сфере применения формализованных математических методов и передовых информационных и компьютерных технологий для анализа и проектирования сложных наукоемких автоматических и автоматизированных систем управления объектами различной природы.
В качестве одного из эффективных средств решения стоящих перед факультетом задач в настоящее время рассматривается активное участие в развитии востребованной наукой и практикой национальной системы ИТ-образования. В соответствии с особым статусом, который придан МГУ и СПбГУ, её формирование предусматривает разработку комплекса современных индивидуальных образовательных стандартов и высокоэффективных инновационных механизмов и технологий преподавания. Участие в этой деятельности, начиная с 2002 года, осуществляется в тесном сотрудничестве с факультетом ВМиК МГУ им. М.В. Ломоносова, по инициативе которого было создано образовательной направление «Информационные технологии», а также с другими классическими университетами России [1-3].
Центральным моментом в формировании указанного направления послужила фундаментальная база, определяемая прикладными математическими школами ведущих классических университетов, их богатым опытом подготовки специалистов по специальности «Прикладная математика и информатика», высоким уровнем проводимых научных исследований, наличием кадрового состава высочайшей квалификации.
В связи с переходом на стандарты 3-го поколения сообщество по ИТ-образованию приняло решение об усилении роли базовых формализованных подходов, отражающих специфику преподавания на факультетах прикладной математики. Это обстоятельство определило преобразование направления «Информационные технологии» к новому варианту «Фундаментальная информатика и информационные технологии».
Актуальность подобного перехода подтверждается опытом подготовки специалистов как на факультете ПМ-ПУ, так и на математико-механическом факультете СПбГУ. Тем не менее, в последние годы усилилось осознание того факта, что для подготовки специалистов, ориентированных на применение информационной поддержки и компьютерных методов в процессах управления, что исключительно актуально для факультета ПМ-ПУ, требуются специализированные подходы.
Области, в которых могут работать специалисты подобного профиля, определяются практически любыми направлениями активной инновационной человеческой деятельности. В частности, сюда относятся управление техническими объектами и физическими процессами, обработка сигналов (в первую очередь - представляющих изображения и звуки), целенаправленные воздействия на биосферу и человеческий организм, управление климатом, регулирование процессов в экономике, управление предприятиями, принятие решений в сфере государственного управления и многие другие области.
Ниже приводятся базовые соображения, которые положены в основу предложений по формированию образовательного направления «Ин-
формационные технологии в процессах управления». В их состав входят как единые основные принципы профессиональной подготовки бакалавров и магистров информационных технологий, так и специфические подходы, соответствующие ориентации и традициям факультета ПМ-ПУ в области обучения специалистов по теории управления и её приложениям. Данное направление предполагается к реализации на факультете ПМ-ПУ СПбГУ на основе и с использованием принципиальных научных и методических положений направления «Фундаментальная информатика и информационные технологии» с учетом специфики и особенностей информационных аспектов, характеризующих системы и процессы управления для объектов различной природы.
2. Информационная поддержка процессов управления
Независимо от конкретной содержательной сущности процессов управления и конкретных функциональных задач, решаемых системой, обеспечивающей протекание этих процессов, существует совокупность общих особенностей и закономерностей, которые позволяют говорить об особой сфере приложения информационных и компьютерных технологий. Эта сфера, естественно, базируется на общих принципах фундаментальной информатики, однако требует специального учета указанных особенностей, выделяющих ее на фоне прочих направлений Computer Science. Такой учет направлен на всемерное повышение эффективности и качества применения информационной поддержи, базирующейся на современных компьютерных средствах и инструментах.
Для уточнения основных понятий, связанных с информационным обеспечением процессов управления, обратимся к обобщенной структурной схеме автоматизированной (автоматической) системы управления (в обобщенном контексте - системы принятия решений), рассматриваемой в системном анализе. Эта схема представлена на рис. 1 с указанием каналов прохождения информационных потоков.
Методами системного анализа в любой конкретной ситуации должны быть выделены следующие базовые элементы:
18. субъект управления - отдельное лицо (или группа лиц), принимающее решения, в интересах которого реализуется управление;
19. объект управления - часть внешней среды, состояние которой представляет интерес для субъекта и подлежит целенаправленному воздействию в процессе управления;
20. информационная подсистема - совокупность средств, обеспечивающих сбор, хранение и передачу информации о состоянии объекта и (или) внешней среды, необходимой для поддержки процесса;
21. управляющая подсистема - основной элемент структуры, где выполняется преобразование поступающей информации, приводящее к выработке управленческих решений;
22. исполнительная подсистема - совокупность средств, обеспечивающих реализацию управления, выработанного управляющей подсистемой.
Рис.1. Система управления и информационные потоки.
Все элементы структуры объединяются каналами прохождения информации. Отсутствие канала или нарушение номинальных режимов его работы исключает полноценное функционирование всей системы.
Кроме информационной подсистемы и каналов, указанных на схеме, в состав каждого её элемента входят внутренние каналы и информационные подсистемы, роль которых не менее существенна.
Привлечение современных информационных технологий по отношению к приведенной схеме осуществляется в рамках следующих четырех обобщенных направлений:
- математическое и компьютерное моделирование существующей или разрабатываемой системы;
- анализ структурных, динамических, функциональных и других свойств системы в целом и ее отдельных элементов;
- синтез алгоритмов (законов) функционирования системы и ее отдельных составляющих;
- поддержка алгоритмов функционирования и информационных потоков в системе в режиме реального времени.
Для каждого из указанных направлений существует вполне определенная идеология действий, направленных на достижении наилучших результатов при использовании информационной и компьютерной поддержки. В частности, при решении вопросов синтеза (проектирования) системы управления (принятия решений) должны быть в явной форме реализованы следующие операции:
- сформулированы содержательные и формализованные цели управления, т.е. цели функционирования системы;
- определены все обязательные условия и требования, предъявляемые к системе в целом и к ее отдельным элементам;
- указаны количественные ограничения, налагаемые на параметры системы и процесса управления;
- выбраны характеристики качества функционирования системы.
С учетом результатов выполнения этих операций при разработке любой системы управления вначале формулируется конкретная задача синтеза. В общей формулировке она выглядит следующим образом: с учетом принятой структуры, необходимо обеспечить достижение целей управления с наилучшим качеством в рамках безусловного выполнения всех условий, требований и ограничений.
После формулировки общей задачи синтеза системы управления (принятия решений) приобретают осмысленное звучание все частные задачи по формированию её составных частей. Неотъемлемой составляющей комплекса этих задач является проблема информационного обеспечения.
Информационная поддержка системы управления - это решение совокупности задач по формированию каналов информационного обмена, выявлению состава информации, передаваемой по этим каналам, способов и средств ее хранения, доступа к ней и её преобразования. Информационная поддержка осуществляется для решения общей задачи синтеза системы управления (принятия решений) и в отрыве от этой задачи не имеет смысла.
В рамках рассматриваемых вопросов особую роль играют цифровые системы управления и обработки сигналов, базирующиеся на современных элементах, непосредственно входящих в состав приведенной выше структурной схемы. Очевидно, что для таких систем привлечение современных информационных и компьютерных технологий ощутимо подавляет все прочие подходы в рамках всех четырех указанных выше направлений. Это связано с очевидной спецификой моделирования, анализа, синтеза и реализации цифровых систем [3].
3. Базовые методологические основы направления
В соответствии с отмеченными выше аспектами информационной поддержки систем и процессов управления, подготовка ИТ-специалистов, реализующих такую поддержку, предполагает изучение теоретических и методических основ деятельности, ориентированной на создание и развитие технологий информационной индустрии, связанной со сбором, обработкой, передачей, хранением и использованием информации с применением современных компьютеров и программных комплексов [1,2].
Очевидно, что практически все вопросы информационного наполнения систем управления в настоящее время невозможно решать без широкого использования современных средств цифровой техники. Это определяется характером обработки и наглядного представления информации с помощью компьютерных технологий.
Отсюда следует особая значимость специализированной подготовки бакалавров и магистров, которые должны профессионально заниматься исследованиями, разработкой и эксплуатацией цифровых систем, обеспечивающих проведение и информационную поддержку процессов и систем управления. Эта подготовка должна быть тесно связана со следующими направлениями деятельности:
• построение дискретных математических моделей объектов, входящих в состав информационно-управляющих систем, и внешней среды, в которой они функционируют;
• решение различных задач анализа подобных систем и протекающих в них процессов дискретного времени;
• решение комплекса задач синтеза законов (алгоритмов) функционирования информационно-управляющих систем в различных режимах динамики;
• выполнение компьютерного моделирования систем управления и их информационных подсистем и протекающих в них процессов;
• обеспечение имитационного моделирования и проведения вычислительных экспериментов;
• формирование специализированных тренажёров для подготовки персонала, обеспечивающего эксплуатацию и техническое обслуживанием систем управления;
• реализация синтезированных алгоритмов на цифровых элементах в реальном масштабе времени.
В соответствии с этими направлениями, базовое методическое наполнение образовательного процесса определяется необходимостью изучения фундаментальных основ моделирования, анализа и синтеза информационных систем, построенных на базе современных цифровых
устройств и компьютерных технологий. В центре внимания должны находиться современные инструментальные среды для проведения исследований и разработок, ярким примером которых служит интегрированная система МЛТЬЛБ [4], реализующая самые передовые идеи в указанных сферах. Применение этой среды в учебном и исследовательском процессе позволяет реализовать важнейшую особенность формируемого направления: сочетание его фундаментальной ориентации с практической поддержкой рассматриваемых подходов, методов, алгоритмов и программного обеспечения.
4. Особенности подготовки магистров
Определенные особенности имеет система магистерского образования в рамках предлагаемого направления, которая, как и для других областей высоких технологий, обеспечивает усиленное по отношению к бакалавриату профессиональное обучение, сочетающееся с выработкой устойчивых навыков научной деятельности. По существу, магистратура представляется перспективной формой начальной подготовки высокопрофессиональных исследователей и преподавателей высшей школы. Хорошо поставленный процесс магистерской подготовки должен существенно повысить эффективность дальнейшего обучения в аспирантуре, стать действенной системой отбора и подготовки кадров для науки и высших учебных заведений, перевести на новый качественный уровень содержание и результаты исследовательских работ.
В результате обучения магистры должны обладать базовыми компетенциями, определенными действующими и перспективными образовательными стандартами для направления «Фундаментальная математика и информатика», однако в стандарте нового направления должны быть учтены его отмеченные выше особенности.
В частности, компетенции, отражающие профессиональное владение математическим аппаратом, должны включать:
- глубокое понимание базовых концепций и основных законов естествознания, математических абстракций, способность использования на практике базовых математических дисциплин;
- умение формулировать содержательные задачи в сфере информационной поддержки процессов и систем управления и ставить соответствующие им математические задачи, допускающие практическое использование;
- умение эффективно привлекать современные математические методы для решения задач моделирования, анализа и синтеза алгоритмов обработки информации и управления;
- способность самостоятельно разрабатывать новые аналитические и численные методы решения поставленных задач, обеспечивать алгоритмическую и программную поддержку этих методов;
- умение эффективно реализовывать предлагаемые решения в темпе протекания реальных информационно-управляющих процессов.
5. Заключение
Рассмотрены базовые принципы, которые предполагается положить в основу формирования нового направления подготовки бакалавров и магистров «Информационные технологии в процессах управления». С учетом специфики и особенностей информационной и компьютерной поддержки систем и процессов управления, предлагается разработка соответствующего индивидуального образовательного стандарта для факультета ПМ-ПУ СПбГУ. Компетентностную основу этого стандарта, общий состав и элементы реализующей его образовательной программы предполагается построить с использованием опыта и на основе стандартов подготовки специалистов на факультетах прикладной математики классических университетов. При этом в качестве базовых вариантов принимаются стандарты 3-го поколения по направлениям 010300 «Фундаментальная информатика и информационные технологии» и 010400 «Прикладная математика и информатика».
Литература
1. Computing Curricula 2001. Association for Computing Machinery and Computer Society of IEEE.
2. Сухомлин В.В. Построение открытой национальной системы ИТ-образования/ Открытые системы. 2004, №8.
3. Веремей Е.И. Принципы преподавания дисциплины «Введение в цифровые системы» на базе среды MATLAB // Тр. Четвертой международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и ИТ-образование». - М.: ИНТУИТ.РУ, 2009. - С. 113-120.
4. Веремей Е.И. Система MATLAB в учебном процессе для специалистов по теории управления и информационным технологиям. // Тр. 1-й международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и ИТ-образование». - М.: МАКС Пресс, 2005. - С. 516-523.
