CC BY
276
№>42006
А.В. Михалёв, А.М. Чеповский
Проблемы профессиональных и образовательных стандартов по информатике и информационным технологиям
В условиях развития высоких технологий и реформы высшей школы бизнес и промышленность, с одной стороны, и университетское, академическое сообщество — с другой, должны активно взаимодействовать с целью выявления потребностей в специалистах информационного профиля и определения уровня подготовки специалистов.
Традиция российской высшей школы характеризуется глубоким фундаментальным образованием, воспитывающим умение логически рассуждать, анализировать, принимать обоснованные решения; позволяющим разбираться в том, что происходит в современной науке и осознавать новые открытия и следствия из них для передовых технологий [1]. Фундаментальная компонента в образовании является своеобразным гарантом качества подготовки специалиста. Именно фундаментальная составляющая образования позволяет выпускнику университета самостоятельно работать в высокотехнологичных областях, учиться и переучиваться, чтобы быть востребованным на рынке труда. Специалист, получивший хорошее фундаментальное образование, гораздо быстрее приспосабливается к изменениям в технологиях и обществе в целом, чем тот, кто знаком с ними поверхностно научился нажимать кнопки и ловко справляться с курсором компьютерной мышки, не понимая сути происходящего.
Для компьютерных и смежных технологий ситуация усугубляется активным формированием и развитием теоретической информатики. Складывающееся ядро теоре-
тической информатики объединяет современные компьютерные науки, такие как компьютерная алгебра, компьютерная логика, компьютерная геометрия и др. Многие из них являются теоретической основой для информационных технологий массового применения сегодня, другие лягут в основу информационных технологий будущего. Эти дисциплины составляют вместе с классической математикой образовательный фундамент для подготовки специалистов по вычислительной технике и информационным технологиям.
Программирование за последние полвека породило целый спектр самых массовых интеллектуальных профессий, связанных с задачами хранения, передачи и анализа информации. Наблюдается как необходимость в открытии новых специализаций по информационным технологиям [2], так и проблемы унификации учебных программ, в том числе с зарубежными стандартами [3-5].
Рассмотрим взаимосвязь разрабатываемой концепции формирования образовательных программ и стандартов на базе «Совокупности знаний» [3, 6] с ком-петентностной моделью [7] и вопросами разработки профессиональных стандартов.
Противоречия университетов и работодателей
На противоречия, возникающие между творческой природой программистского труда и необходимостью его организации для производственных целей, одним из первых указал А. П. Ершов [8]. За про-
Проблемы профессиональных и образовательных стандартов по информатике и информационным технологиям
Н942006
шедшие три десятка лет ситуация усложнилась и вскрытые противоречия усугубились. Создание и сопровождение программного обеспечения — сложный интеллектуальный процесс, требующий глубоких знаний и умений,связанных с базовыми фундаментальными дисциплинами. При этом существует вполне объяснимая гонка бизнеса за прибылью, связанная с попытками более эффективного, с точки зрения получения дохода, использования трудовых ресурсов. Индустриализация труда (процесс известный уже два века как тэйлоризация) приводит к его раздроблению и снижению квалификации конкретных исполнителей. В информационных технологиях эти процессы характеризовались развитием идей структурированного программирования, внедрения объектно-ориентированного программирования и проектирования, модульной технологии в программировании. Следствием такого преобразования промышленного производства в области высоких технологий явились более жесткие требования бизнеса к узкой специализации сотрудников.
Требования к соискателям на вакансии специалистов в области информационных и коммуникационных технологий содержат множество названий конкретных технологий и программных продуктов. Так называемый ^-бизнес хочет видеть в выпускниках высшей школы не столько специалистов с хорошей фундаментальной подготовкой, сколько натренированных на работу с вполне определенными программными продуктами инженеров и техников различного профиля.
Информационные технологии изменяются так стремительно, что полученные примитивным тренингом навыки быстро устаревают. Поэтому выпускники университетов должны обладать набором фундаментальных знаний в области компьютерных наук, позволяющих быстро осваивать современные компьютерные технологии.
Характерной иллюстрацией служит развитие и внедрение информационных систем во все сферы человеческой деятельности. Для теории информационных систем важна не только количественная характеристика информации (приоритетная для кодирования и передачи информации по различным каналам связи, а также сохранности этой информации), но и ее качественные характеристики. Точнее, имеет смысл сама информация и ее содержание, которое осознает человек, получивший данную информацию. В этом случае важную роль играют алгебраическая теория информации и математическая логика. С алгебраической точки зрения теория информации трактуется как абстрактный набор слов со своими специфичными задачами, связанными с хранением, обработкой и передачей слов по каналам связи. При таком подходе основным математическим аппаратом является аппарат современной высшей алгебры. В рамках алгебраической теории информации объединяются многие направления информационных технологий. Такие на первый взгляд различные задачи, как задачи теории формальных языков и построения грамматик, распознавание образов, автоматическое доказательство теорем и теория реляционных баз данных, можно рассматривать как различные приложения алгебраической теории информации.
В основу понятийного анализа информации легла математическая логика. Проникновение математической логики в информационные технологии связано в первую очередь с задачами обработки текстов. Лингвисты и математики рассматривали компьютеры как средство автоматизации символьных преобразований, характерных для каждой конкретной области знаний. Результатом таких работ стало активное изучение задач искусственного интеллекта, таких как автоматическое доказательство теорем. В рамках компьютерной методологии, использующей различные формальные методы, логика обеспечивает единую
№>42006
форму языка для написания программ, построения баз данных и запросных систем, создания баз знаний и экспертных систем. Таким образом, при подготовке специалистов по информационным системам необходимо формировать базовые знания по фундаментальной математике, без которых невозможно в будущем освоение новых технологий.
Опыт российской высшей школы и отечественной промышленности предлагает нам находить разумный компромисс между фундаментальным образованием, специализацией и прикладной (узкой) специализацией выпускников университетов. При этом под фундаментальным образованием мы понимаем как общеобразовательные, так и общепрофессиональные составляющие образования. Под специализацией может пониматься получение знаний, умений и навыков для конкретной специальности, реализуемой в рамках направления подготовки высшего профессионального образования (ВПО). Прикладная специализация может рассматриваться как специфическая «доводка» выпускника вуза под требования бизнеса, промышленности и государственных структур с точки зрения подготовки выпускника на конкретное рабочее место. Специализация выпускника также может быть разделена на базовую, которую может обеспечивать университет, и узкую специализацию, которая должна проводиться работодателем (возможно, в контакте с университетами). Такой подход вполне укладывается в компетентностную модель профессиональных и образовательных стандартов.
Компетентностная модель профессионального стандарта
Формирование требований к специалисту должно определяться ясными, конкретными и жесткими «индикаторами» — критериями, которые разрабатывают работодатели для оценки готовности специалиста к выполнению им своих профессиональных обязанностей. Такими критериями могут
быть наборы компетенций, которые можно рассматривать как комплексные характеристики, описывающие способность применять знания, умения и навыки при решении задач профессиональной деятельности. В профессиональных стандартах должны определяться компетенции в сфере профессиональной деятельности, наличие которых позволит специалисту успешно работать в избранной сфере деятельности. Профессиональные компетенции могут рассматриваться как совокупность фундаментальных, базовых и специальных компетенций.
Фундаментальные профессиональные компетенции определяют те знания и умения, связанные с фундаментальными научными дисциплинами, на которых базируются прикладные дисциплины и используемые специалистом технологии. Именно фундаментальные профессиональные компетенции ориентированы на успешную деятельность специалиста в будущем. Для специалистов в области компьютерных наук и технологий это в первую очередь знания и умения, связанные с фундаментальной и прикладной математикой.
Базовые профессиональные компетенции отражают специфику профессиональной деятельности, для которой они необходимы в рамках конкретной специальности на самых различных рабочих местах. Для специалистов в области информационных технологий это могут быть компетенции, связанные, например, со способностью решать задачи анализа и модернизации реляционных баз данных, или владения любым алгоритмическим языком программирования.
Специальные профессиональные компетенции отражают специфику профессиональной деятельности на конкретных рабочих местах. Для специалистов в области информационных технологий это могут быть компетенции, связанные с владением конкретной средой разработки, или конкретным набором прикладных программ.
А.В. Михалёв, А.М. Чеповский
Проблемы профессиональных и образовательных стандартов по информатике и информационным технологиям
Н942006
Компетентностная модель профессионального стандарта может рассматриваться как основа для сопряжения с образовательными стандартами, которые реализованы на аналогичной компетентностной основе, описывающей в качестве целей образовательного процесса компетентно-стную модель выпускника вуза.
Отметим, что существенную роль для отработки таких сопряжений играет складывающаяся система регулярных конференций, объединяющих представителей университетов, Российской академии наук и работодателей. Например, ставшая регулярной конференция «Преподавание информационных технологий в России», проводимая под эгидой Ассоциации предприятий компьютерных и информационных технологий (АП КИТ).
Модель образовательного стандарта на основе совокупности знаний
Главным и определяющим фактором разработки государственных образовательных стандартов (ГОС) третьего поколения является задание требований к выпускникам университетов. Задание требований к уровню подготовки выпускников в профессиональной деятельности должно определять содержание образовательных стандартов. Логично сначала разработать профессиональные стандарты, содержащие наборы профессиональных компетенций, которые можно положить в основу образовательных стандартов. Профессиональные компетенции, определенные в профессиональных стандартах, определяют наборы компетенций образовательных стандартов.
Множество компетенций, заданных в образовательных стандартах, задают уровень подготовки выпускников вузов. Вопрос в том, как задавать содержание образовательных стандартов. В ГОС второго поколения задаются дисциплины, и кратко описывается их содержание, что затрудняет полноценную реализацию концепции открыто-
го образования, ограничивая реальную мобильность студентов.
Предлагается описывать содержание образовательных стандартов через спецификацию «Совокупности знаний», которая активно используется в следующих руководствах по составлению учебных планов по информатике для университетов, являющихся совместной разработкой Компьютерного общества Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE CS) и Ассоциации по вычислительной технике (ACM): «Computing Curricula 2001 Computer Science» [9] и «Software Engineering 2004. Curriculum Guidelines for Undergraduate Degree Programs in Software Engineering» [10], которые обобщенны в руководстве [11].
Рекомендации по преподаванию информатики для непрофильных специальностей университетов, основанные на «Совокупности знаний по математике и информатике» разработаны в работе [3].
Совокупность знаний должна иметь иерархическую трехуровневую структуру. Верхний уровень иерархии — области знаний. Области делятся на разделы совокупности знаний, которые представляют собой отдельные модули, объединяющие наборы тем совокупности знаний. Для всех тем устанавливаются уровни подготовки специалистов, на которых рассчитаны материалы данной темы: начальный уровень; базовый уровень; углубленный уровень, который определяет значимость темы по отношению к основному набору знаний.
Можно выделить следующие области и разделы компьютерных знаний, которые можно рассматривать как универсальные:
• CL. Компьютерная грамотность:
CL1. Базовые представления об ЭВМ и программном обеспечении;
CL2. Локальные технологии;
CL3. Распределенные технологии;
№>42006
С1_4. История информатики и социальные вопросы;
• Р. Программирование и организация ЭВМ:
Р1. Основы программирования;
Р2. Архитектура и организация ЭВМ; Р3. Операционные системы;
Р4. Низкоуровневое программирование;
Р5. Императивное программирование; Р6. Функциональное программирование;
Р7. Объектно-ориентированное программирование;
Р8. Языки разметки;
• 1Т. Информационные технологии и компьютерные науки:
1Т1. Языки программирования;
1Т2. Информационные системы;
1Т3. Сети и телекоммуникации;
1Т4. Компьютерная графика и визуализация;
1Т5. Интеллектуальные системы;
1Т6. Программная инженерия;
1Т7. Компьютерная алгебра и символьные вычисления;
1Т8. Теоретическое программирование.
Специфика приведенного списка областей и разделов знаний по информатике и информационным технологиям в том, что он разрабатывался в работе [3] с учетом самого широкого спектра задач преподавания информатики, включая непрофильные специальности.
Содержательная часть ГОС может быть представлена в виде отношений, устанавливающих связь структуры совокупности знаний со множеством (или структурой) компетенций.
При формировании содержания стандартов уровень владения материалом каждой темы выпускником данной специальности можно определять по 6-уровневой
шкале иерархии познавательных целей «Знание — Понимание — Применение — Анализ — Синтез — Оценка» (таксономия Блюма). Заметим, что разработчики руководства [10] определяют необходимый уровень усвоения материала по трехуровневой шкале «Знание — Понимание — Применение».
Наборы тем «Совокупности знаний» решают задачу определения основного содержания дисциплины. Так как дисциплины, связанные с информационными технологиями, являются и относительно новыми, и динамично развивающимися, то спецификация «совокупности знаний» чрезвычайно важна. Данные предложения могут и должны лечь в основу ГОС ВПО нового поколения, реализующих модульную структуру.
Предлагаемая концепция позволит уйти от дисциплинарной модели содержания образовательных стандартов при разработке ГОС третьего поколения. А также реализовать одну из важнейших идей открытого образования — возможность достижения стандарта различными путями, зависящими от конкретной ситуации студента.
Совокупность знаний по математике в стандартах компьютерных специальностей
Мировая практика показывает, что с течением времени будут ужесточаться требования к математическим знаниям. Эти знания приобретают особое значение как в высокотехнологичных отраслях промышленности, так и в современном обществе в целом, все больше и больше опирающемся в своем существовании и развитии на информационные технологии [12]. Поэтому закономерным является ведущая роль математической составляющей в современной системе ВПО.
Для информационных специальностей математика играет особую роль. Один из основоположников отечественной школы
А.В. Михалёв, А.М. Чеповский
Проблемы профессиональных и образовательных стандартов по информатике и информационным технологиям
Н942006
программирования, А.П. Ершов, отмечал, что «программист должен обладать способностью первоклассного математика к абстракции и логическому мышлению в сочетании с эдисоновским талантом сооружать все, что угодно из нуля и единицы» [8]. Информационные технологии и программирование базируются на таких основных классических математических дисциплинах, как алгебра, теория чисел, математическая логика, дискретная математика, численные методы, и др.
Ярким примером является реляционная модель, опирающаяся на строгий подход к организации и управлению данными, который основан на наборе математических правил, обеспечивающих точность и целостность данных, хранящихся в базе данных.
Для многих предметных областей реляционные базы данных завоевали лидирующую роль потому, что реляционный подход способствовал прогрессу в области теории и методологии проектирования структур баз данных, создания эффективных средств хранения и обработки данных. Реляционная модель позволила перейти к разработке реальных распределенных и параллельных баз данных, основанных на операциях реляционной алгебры. Триумф этой модели стал возможен благодаря строгим математическим основам реляционной теории.
Изменение отношений реляционной модели во времени описывается реляционной алгеброй, произвольное выражение которой — это запрос к данным. Ответом на запрос является отношение, полученное в результате применения последовательности реляционных операторов, к текущему состоянию базы данных. Для реализации запросно-ответных отношений был сформулирован язык реляционного исчисления. Основная идея такого языка заключается в формализации понятия запроса в виде формул языка исчисления предикатов. Без владения перечисленными математическими основами невозможно осознать место
структурированного языка запросов (SQL) среди языков программирования, трудно оптимизировать систему запросов даже к относительно простым по структуре базам данных.
Поэтому даже рядовой инженер, занимающийся разработкой и сопровождением баз данных, обязан владеть математическим аппаратом реляционной алгебры и реляционного исчисления, что невозможно без освоения целого ряда математических дисциплин: теории множества, высшей алгебры, математической логики, теории формальных языков.
Вывод очевиден: во-первых, для изучения компьютерных наук необходимы глубокие и разносторонние математические знания; во-вторых, требуется согласованность курсов математического цикла, теоретической информатики и дисциплин, посвященных различным аспектам информационных технологий. Поэтому необходимо рассматривать совместно как образование, так и объединенные профессиональные компетенции по информатике и математике.
В отличие от международных документов СС2001 [9] и БЕ2004 [10], в работе [3] предлагалась структура «Совокупности знаний по математике» применительно к преподаванию информатики. Наборы тем «Совокупности знаний» дают возможность составлять сбалансированные и взаимосвязанные программы курсов математики и информатики.
Математические знания можно рассматривать как отдельную область знаний, которая может быть названа «Математические и теоретические основы информатики». Такая область знаний будет содержать следующие разделы совокупности знаний:
1. Множества, отношения, функции;
2. Алгоритмы, сложность и структуры данных;
3. Вычислительная математика и численные методы;
№>42006
4. Математическая логика и теория доказательств;
5. Графы и деревья;
6. Автоматы;
7. Теория формальных языков и грамматик;
8. Теория алгебраических структур;
9. Комбинаторика.
Совокупность знаний по математике является по нашему мнению принципиальным фактором формирования стандартов для компьютерных специальностей и должна использоваться совместно с Совокупностью знаний по информатике и информационным технологиям. Таким образом, для разработки гармоничных образовательных стандартов предлагается формировать объединенную «Совокупность знаний по математике, теоретическим основам информатики и информационным технологиям». Именно такая объединенная Совокупность знаний и должна быть основой для раскрытия профессиональных компетенций, определенных в стандартах соответствующих профессий.
На пути реализации (вместо заключения)
Компетентностные модели стандартов (образовательных и профессиональных) и концепция совокупности знаний позволяют формализовать сами стандарты, а, значит, и весь жизненный цикл их функционирования.
Достижения современных компьютерных наук и информационных технологий дают возможность разрабатывать базы знаний. В дальнейшем их пытаются использовать в автоматизированных системах, которые выявляют закономерности накопленных сведений и находят решения задач по описанию законов предметной области. Логично применить методологию баз знаний и методы компьютерных систем принятия решения для создания автоматизированной системы разработки и сопровождения
государственных стандартов ВПО третьего поколения.
Онтологии предметной области могут предоставлять необходимые объекты профессиональной деятельности. Тезаурусы профессиональных компетенций, сформированные на основе профессиональных стандартов, позволят формировать задачи и цели образовательных стандартов. Отношения, построенные на множествах компетенций профессиональных и образовательных стандартов, определяют соответствующие стандарты ВПО и требования к специализациям в рамках заданного направления подготовки ВПО. Отношения, построенные на множествах компетенций образовательных стандартов и соответствующих Совокупностей знаний, определяют пути реализации образовательных программ и требования к специализациям в рамках заданного направления подготовки ВПО.
Прототипы таких систем на начальном этапе могут обеспечить информационную поддержку и управление процессом проектирования содержания как образовательных, так и профессиональных стандартов.
На следующих этапах развития информационные системы такого типа могут служить для сопровождения направлений подготовки в учебно-методических объединениях при формировании специализаций направления подготовки, а в вузах — для формирования учебных планов как очного, так и дистанционного образования, обеспечения принципов открытого образования и удовлетворения потребностей рынка труда.
Отметим в заключение, что модель «компетенции — совокупности знаний» позволяет описать образовательный процесс университета и его сообществ по определенным направлениям подготовки как нелинейную открытую систему. Это предоставит возможность синергетического нелинейного моделирования как различных иерархических уровней системы об-
А.В. Михалёв, А.М. Чеповский
Проблемы профессиональных и образовательных стандартов по информатике и информационным технологиям
Н942006
разования (например, системы дистанционного образования университета), так и системы «университет — рынок труда — работодатель».
Литература
1. Образование, которое мы можем потерять. Сборник/Под общ. ред. В.А. Садовничего. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова; Институт компьютерных исследований, 2002.
2. Федоров И.Б., Коршунов С.В., Советов Б.Я. Новые специальности направления подготовки специалистов «Информационные системы»//Информационные технологии. 2002. №8.
3. Борисенко В.В. и др. Преподавание информатики и математических основ информатики для непрофильных специальностей классических университетов/Под ред. А.В. Михалева. М.: Интернет-Университет Информационных Технологий, 2005.
4. Михалев А.В., Панкратьев Е.В., Чеповс-кий А. М. Подготовка специалистов по теоретической информатике в рамках дополнительного образования//Перспективы систем информатики. Секция «Информатика образования». Доклады 5-й Международной конференции памяти академика А.П. Ершова. Институт систем информатики СО РАН, 2003.
5. Иванов И.П., Колобаев Л.И., Чеповс-кий А. М. Программы подготовки программистов в техническом университете и Computing Curricula 2001//Перспективы систем информатики. Секция «Информатика образования». Доклады 5-й Международной конференции памяти академика А.П. Ершова. Институт систем информатики СО РАН, 2003.
6. Михалев А.В., Панкратьев Е.В., Чеповс-кий А. М. Совокупность знаний по математике и информатике//Перспективы систем информатики. Секция «Информатика образования». Доклады 6-й Международной конференции памяти академика А.П. Ершова. Институт систем информатики СО РАН, 2006.
7. Бойденко В.И. Компетенции в профессиональном образовании (к освоению компе-тентностного подхода)//Высшее образование в России. 2004. №11.
8. Ершов А.П. О человеческом и эстетическом факторах в программировании//Кибернетика. 1972. №5.
9. Рекомендации по преподаванию информатики в университетах/Пер. с англ. СПб: Издательство СПбГУ, 2002.
10. Software Engineering 2004 Curriculum Guidelines for Undergraduate Degree Programs in Software Engineering. The Joint Task Force on Computing Curricula, IEEE Computer Society and Association for Computing Machinery, 2004.
11. Computing Curricula 2005. The Overview Report. A Cooperative Project of The Association for Computing Machinery (ACM), The Association for Information Systems (AIS), The Computer Society (IEEE CS), 2005.
12. Королев Л.Н., Рыбников К.А. Вычислительная математика и вычислительная техника. Очерки истории. М.: Издательство механикоматематического факультета МГУ, 1999.
От редакции
Авторы затронули весьма актуальные вопросы. Мы полагаем, что после изучения данной статьи читателю также полезно ознакомиться и со следующими публикациями:
1. Fetterman D., Wandersman A. Empowerment Evaluation, Principles in Practice. N.Y., London: Guildford Press. 2005.
2. Вузы и работодатели о выпускниках и реформе высшей школы//Доклад Аналитического центра «Эксперт». Руководитель проекта А. Шма-ров. М., 2005.
3. Kause L., Strake Ch. Quality Standards in E-Learning: Benefits and Implementations in Practice// Online Educa Berlin 2005. 11-th International Conference on Technology Supported Learning & Training. Book of Abstracts. Berlin: ICWE, 2005.
4. Рубин Ю., Емельянов А. Стандартизация как фактор конкурентоспособности высшего об-разования//Высшее образование в России. 2005. №11.
5. Геворкян Е.Н. E-Learning в экономике, основанной на знаниях//Высшее образование в России. 2006. № 1.
