В целях подготовки выпускников к решению производственно-технологических задач ФГОС ВО 3++ предусматривает формирование ряда профессиональных компетенций, среди которых обозначается способность применять современные информационные технологии при проектировании, реализации, оценке качества и анализе эффективности программного обеспечения для решения задач в различных предметных областях [1; 2]. Индикаторами достижения сформированности являются: знание современных технологий проектирования и производства программного продукта; умение использовать подобные технологии при создании программных продуктов и приобретение практического опыта по их применению [3; 4]. В этой связи особое значение приобретают вопросы совершенствования системы подготовки будущих специалистов в области исследования и описания предметной области с использованием методов формализации представления данных и знаний на инфологическом и концептуальном уровнях [5-7]. Моделирование предметной области с целью построения базы данных прикладной направленности, входящей структурным компонентом в информационную систему, находится в поле зрения не только исследователей-теоретиков, но и практических экспертов [8-10].
Цель исследования. В настоящей статье авторы ставят целью теоретически обосновать и описать реализацию методической системы поэтапного формирования у студентов профессиональных компетенций в области моделирования.
Материалы и методы исследования. Материал статьи подготовлен на основании опыта преподавания авторами дисциплин «Проектирование баз данных», «Интеллектуальные системы» и организации работы практико-ориентированных проблемных групп по разработке информационных систем на кафедре информатики и информационных технологий ТГПУ им.Л.Н.Толстого. Изучение данных дисциплин включено в учебные планы подготовки бакалавров по направлениям 02.03.03 «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем» и 02.03.02 «Фундаментальная информатика и информационные технологии». На основе опыта работы и анализа методической литературы в статье приводится пример организации поэтапного формирования у студентов указанных направлений подготовки профессиональных компетенций в области моделирования.
Результаты исследования и их обсуждение
Методическая система формирования профессиональных компетенций бакалавров в области моделирования видится авторами в реализации поэтапного формирования необходимых умений и навыков. На первом этапе много внимания уделяется исследованию предметной области с целью выделения в некоторой части реального мира совокупности сущностей с их характеризуемыми и характеризующими свойствами, отношений между ними, а также возникающих событий. Выделенные сущности определяют информационные потребности пользователя и формируют навык построения инфологической модели с акцентом на ее формальный строго определенный характер и точно очерченные границы. Казалось бы, данное требование к модели должно быть интуитивно понятно, но, как показывает практика, в образовательный процесс следует включать конкретные задания по описанию предметной области с целью формирования устойчивых навыков построения подобного рода моделей.
Система заданий по формализации предметной области предусматривает построение различных моделей представления знаний, включая семантические, фреймовые, логические и продукционные [11]. При этом предметная область может принимать совершенно произвольные очертания от сказки и песни до образовательного или сервисного процесса. Приведем примеры заданий, включаемых авторами в методическую систему поэтапного формирования необходимых умений и навыков.
Задание1. Рассмотрите семантическую модель представления знаний, содержащихся в сказке «Зайкина избушка» (рис.1).
Рис. 1. Семантическая модель представления знаний
Объекты:
1 – Зайчик
Характеризуемые признаки: построил деревянную избушку.
Характеризующие признаки: травоядный, добрый, трусишка.
2 – Лиса
Характеризуемые признаки: выгнала зайчика из избушки.
Характеризующие признаки: хищник, хитрая, с большим хвостом.
3 – Волк
Характеризуемые признаки: не смог выгнать Лису.
Характеризующие признаки: хищник, серый, трусливый.
4 – Медведь
Характеризуемые признаки: не смог выгнать Лису.
Характеризующие признаки: хищник, большой, трусливый.
5 – Петух
Характеризуемые признаки: выгнал Лису.
Характеризующие признаки: птица, смелый.
6 – Зайкина избушка
Характеризуемые признаки: построена Зайчиком, занята Лисой.
Характеризующие признаки: деревянная, уютная.
На основе представленной модели выполните следующие задания:
1. Между выделенными сущностями в модели обозначены связи. Каждая связь определяет некое событие в предметной области. Опишите данные связи, исходя из знаний предметной области. Например, связь 1 может быть описана как «объект X построил объект Y». Обратите внимание на тот факт, что связи 3, 4, 5 присутствуют в модели неоднократно, значит, их описания должны быть обобщенными.
2. Постройте для сущностей данной предметной области фреймовую, логическую и продукционную модели.
3. Опишите, какие элементы или события предметной области не нашли отражение в модели.
4. Докажите, что построенная модель обладает свойствами адекватности, полноты и конечности.
Задание2. Постройте логическую модель представления знаний, содержащихся в песне «Из вагантов» (Hospita in Gallia (XIII век) в переводе с латинского Л.Гинзбурга).
На основе представленной модели выполните следующие задания:
1. Охарактеризуйте множество предикатов, использованных в модели для описания свойств сущностей.
2. Приведите примеры, подтверждающие способность языка логики предикатов адекватно отображать свойства сущностей и наличие связей между ними.
3. Докажите, что построенная модель обладает свойствами адекватности, полноты и конечности.
4. Опишите, какие элементы или события предметной области не нашли отражение в модели.
Задание3. Рассмотрите в качестве предметной области традиционную для ТГПУ им.Л.Н.Толстого Международную студенческую научно-практическую конференцию «Проблемы молодежи глазами студентов», которая проводится в стенах университета с 1998 года.
1. Исследуйте предметную область в соответствии со следующим планом:
- Выделите основные этапы конференции.
- Составьте перечень работ по подготовке к проведению конференции.
- Определите категории лиц, участвующих в конференции.
- Опишите функции организационного и программного комитетов конференции.
- Опишите алгоритм организации работы секций.
2. Опишите сущности предметной области и связи между ними. Для каждой сущности выделите характеризующие и характеризуемые признаки.
3. Постройте семантическую и продукционную модели предметной области.
В качестве ожидаемых результатов выполнения указанного задания рассмотрим примерный перечень работ по подготовке к проведению конференции:
- Создание организационного и программного комитетов конференции. Организационный комитет создается на основании плана научно-исследовательской работы. Программный комитет формируется организационным комитетом. Оба комитета утверждаются приказами по университету.
- Рассылка информационных писем. Данное письмо готовится членами оргкомитета и отправляется по списку.
- Получение заявок на участие в конференции. Заявки поступают в адрес оргкомитета в виде электронного документа. Данные участников заносятся в базу данных.
- Экспертная оценка представленных докладов. Осуществляется членами программного комитета с рекомендациями о статусе доклада (пленарный, секционный).
- Формирование программы конференции. Осуществляется членами программного комитета в соответствии с регламентами работы конференции.
- Рассылка программы и приглашений. Осуществляется членами организационного комитета, который поддерживает обратную связь с участниками конференции на протяжении всего времени проведения конференции.
Данный перечень логично продолжить включением работ по размещению и питанию участников, изготовлению печатной продукции в виде блокнотов, значков, сувениров различного назначения, организации свободного времени и досуга участников и т.д. Но именно в этом месте предлагается обозначить границы модели.
В практике работы проблемной группы на протяжении ряда лет проводились исследования различных предметных областей. Например:
- Реализация документооборота итоговой государственной аттестации выпускников.
- Реализация документооборота отдела аспирантуры университета.
- Реализация документооборота ученого совета университета.
- Реализация документооборота кафедры по учету и движению рабочих программ.
- Поддержка организации досуга студентов вуза.
Целью следующего этапа исследования предметной области является выделение и моделирование связей между сущностями и множествами сущностей, атрибутами и множествами их значений [11]. Здесь формируется осознание того, что в любой предметной области необходимо выделять полный, но не избыточный перечень сущностей и связей между ними. Особое внимание уделяется исследованию роли, которую каждая сущность выполняет в данной связи, с точки зрения течения информационных процессов.
Теоретической основой исследования выступают механизмы реляционной алгебры и реляционного исчисления. По мере продвижения у студентов возникает осознание прикладной направленности механизма исчисления предикатов первого порядка, исчисления кортежей и исчисления доменов и формируется убежденность в том, что любая модель предметной области должна соответствовать требованиям полноты и непротиворечивости построения произвольных формальных теорий и систем. В связи с этим студентам предлагается ряд заданий.
Задание4.Рассмотрите произвольную предметную область и опишите для нее набор операций алгебры Кодда. Описание команд приведите средствами произвольной лингвистической области в соответствии с выбранной формальной системой (SQL, C#, Delphi, Access, 1C…).
Задание5.Рассмотрите предметную область «Реализация документооборота итоговой государственной аттестации выпускников». Опишите сущности, их признаки и роли.
Ожидаемые результаты выполнения.
Среди сущностей предметной области наиболее интересной является пользователь.
Выделим признаки данной сущности.
Характеризуемые признаки: идентификационный номер в системе, студенческая академическая группа, должность, ученая степень, ученое звание, подгруппа для прохождения ИГА, уровень доступа в систему.
Характеризующие признаки: логин, пароль, e-mail, ФИО, роль.
В данной предметной области выделим следующие роли сущностей: оператор, студент, преподаватель, администратор. Для каждого пользователя должен быть реализован личный кабинет.
Студент реализует функции выбора/отмены темы выпускной квалификационной работы и имеет возможность получать информацию из личного кабинета.
Преподаватель реализует функции просмотра информации об актуальных темах, которые выполняются под его руководством, и о студентах - исполнителях тем.
Оператор реализует расширенный функционал: распределение тем и студентов; редактирование данных в базе с помощью интерфейса; создание и выгрузка готовых документов с приказами.
Администратор имеет полный функционал роли оператор и, кроме того, полный набор функций по управлению базой данных и инсталляции приложения.
Важной особенностью проектирования в данной предметной области сущности пользователь является тот факт, что значение атрибута роль для конкретного пользователя однозначно определяет кортеж соответствующих данных, выраженных характеризуемыми признаками, с точки зрения «актуальные/неактуальные» и представленный в таблице.
Наличие атрибутов сущности пользователь в зависимости от роли
|
Атрибуты |
Роль |
|||
|
оператор |
студент |
преподаватель |
администратор |
|
|
идентификационный номер в системе |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
студенческая академическая группа |
- |
+ |
- |
- |
|
должность |
+ |
- |
+ |
+ |
|
ученая степень |
+ |
- |
+ |
+ |
|
ученое звание |
+ |
- |
+ |
+ |
|
подгруппа для прохождения ИГА |
- |
+ |
- |
- |
|
уровень доступа в систему |
+ |
+ |
+ |
+ |
Приведенная выше система заданий позволяет формировать компетенции, связанные с концептуальным моделированием предметной области, отражающим первоначальное восприятие ее объектов и сущностей. Дальнейшее продвижение проблемной группы в сторону разработки прикладных информационных систем связано с исследованием возможности идентификации сущностей в множестве, определением механизма действия атрибутов сущностей, представлением данных о сущностях и связях между ними в табличной форме. Одним из важнейших вопросов на данном этапе является поиск алгоритма выделения группы атрибутов (допускается, что в группе может быть только один элемент), обеспечивающей взаимно-однозначное отображение из множества сущностей в соответствующее множество кортежей значений. Если имеется возможность неоднозначного решения поставленной задачи, принято выбирать семантически значимый ключ и определять его как первичный. Выработка у студентов данного умения является стратегически важным вопросом, поскольку его отсутствие лишает студентов возможности обладать профессиональной компетенцией построения инфологической модели предметной области. В основе данного процесса лежит процесс нормализации совокупности таблиц, являющихся моделями сущностей предметной области.
Задание 6. На основе результатов выполнения задания 3 осуществите приведение к третьей нормальной форме (3НФ) таблицы, связанной с описанием сущности УЧАСТНИК.
Ожидаемые результаты выполнения.
Данная таблица имеет следующие атрибуты: УЧАСТНИК (Фамилия, Имя, Отчество, Тема_доклада). Каждый из студентов может принимать участие в нескольких конференциях и даже на одной из них являться автором нескольких докладов. То есть в данной таблице могут содержаться такие строки УЧАСТНИК (Романов, Михаил, Федорович, Иерархия власти в управлении государством; Моделирование процессов управления качеством программного обеспечения) и УЧАСТНИК (Романов, Петр, Алексеевич, Модель регулярной армии в России 17 века; Формирование алгоритмов для определения соблюдения этических норм в профессиональной среде).
Следуя за К.Дейтом в вопросах нормализации таблиц, конролируем, что в таблице отсутствует дублирование строк, и каждый атрибут содержит ровно одно значение из соответствующего домена. В этом случае значение атрибута «Тема_доклада» противоречит указанному требованию. Чтобы благоприятным образом изменить ситуацию, для каждой из указанных строк добавим в таблицу еще одну строку, в которой продублируем значения первых трех атрибутов, а значения атрибута «Тема_доклада» распределим по одному в каждую строку. В итоге получим в таблице четыре записи, каждая из которых соответствует обозначенным требованиям. На этом простом примере продемонстрирован процесс приведения таблиц к первой нормальной форме (1НФ).
Приведение таблицы ко второй нормальной форме (2НФ) требует, чтобы каждый неключевой атрибут полностью зависел от первичного ключа. Выполнение данного условия можно обеспечить за счет добавления к нашей таблице атрибутов «ID_участника» и «ID_доклада» и определения составного первичного ключа в виде комбинации этих атрибутов. Таким образом, таблица УЧАСТНИК (ID_участника, Фамилия, Имя, Отчество, ID_доклада, Тема_доклада) будет содержать строки (1, Романов, Михаил, Федорович, 1, Иерархия власти в управлении государством), (1, Романов, Михаил, Федорович, 2, Моделирование процессов управления качеством программного обеспечения), (2, Романов, Петр, Алексеевич, 3, Модель регулярной армии в России 17 века), (2, Романов, Петр, Алексеевич, 4, Формирование алгоритмов для определения соблюдения этических норм в профессиональной среде).
Чтобы убедиться в том, что таблица находится во 2НФ, необходимо выполнить проверку зависимости всех неключевых атрибутов от первичного ключа. Можно ли определить значение атрибутов «Фамилия», «Имя», «Отчество», «Тема_доклада» участника, зная только «ID_доклада»? Да, можно. Можно ли определить значение атрибутов «Фамилия», «Имя», «Отчество», «Тема_доклада» участника, зная только «ID_участника»? Нет, нельзя. Значит, наш первичный ключ не соответствует требованию второй нормальной формы. Правильным выходом из создавшейся ситуации является осуществление декомпозиции таблицы в виде выделения ее части в самостоятельную таблицу ДОКЛАД. Таким образом, между двумя таблицами (отношениями) ДОКЛАД (ID_доклада, Тема_доклада) и УЧАСТНИК (ID_участника, Фамилия, Имя, Отчество, ID_доклада) будет определена связь типа один ко многим, а неключевые атрибуты будут однозначно зависеть от первичного ключа, что характерно для 2НФ. Результат исчерпывающего анализа предметной области, проведенный при выполнении задания №3, для наличия полной информации об участниках конференции и об их докладах требует внедрения в указанные таблицы определенного набора атрибутов. В результате получаем следующую модель (рис.2).
Рис. 2. Расширенные таблицы УЧАСТНИК и ДОКЛАД во 2 НФ
Задача приведения таблиц к третьей нормальной форме (3НФ) требует, чтобы неключевые атрибуты не зависели от значений других неключевых атрибутов. Это требование означает выделение в отдельные таблицы всех неключевых полей, значения которых могут относиться к нескольким записям. В нашем случае таблицы УЧАСТНИК и ДОКЛАД не находятся в 3НФ. К такому выводу мы приходим в результате того, что атрибуты, которые содержат информацию о вузе, факультете, направлении подготовки, руководителе секции и др., не зависят от первичных ключей.
Для приведения таблицы УЧАСТНИК к 3НФ необходимо осуществить ее декомпозицию и выделить еще три таблицы, которые будут иметь собственные первичные ключи и находиться во взаимосвязи с таблицей УЧАСТНИК: ВУЗ; ФАКУЛЬТЕТ; НАПРАВЛЕНИЕ ПОДГОТОВКИ.
В результате получаем следующую модель (рис.3).
Рис. 3. Таблица УЧАСТНИК в 3НФ
Для приведения таблицы ДОКЛАД к 3НФ необходимо осуществить ее декомпозицию и выделить еще две таблицы, которые будут иметь собственные первичные ключи и находиться во взаимосвязи с таблицей ДОКЛАД: НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ; СЕКЦИИ.
В таблицу НАУЧНЫЙРУКОВОДИТЕЛЬ введены атрибуты (Вуз, Кафедра, Ученая степень, Ученое звание, Должность, ID_научного_руководителя). Очевидно, что эта таблица не находится в 3НФ, поскольку ее атрибуты не зависят от первичного ключа. Для ее приведения к 3НФ нужно осуществлять дальнейшую поэтапную декомпозицию до тех пор, пока каждая из таблиц не предстанет в 3НФ.
Рис. 4. Совокупность таблиц предметной области в 3НФ
В результате приведения таблицы УЧАСТНИК к 3НФ получаем следующую модель схемы данных (рис.4), в котором каждая из таблиц в свою очередь также находится в 3НФ.
Среди профессионалов определенным сигналом для старта разработки прикладных информационных систем является нахождение схемы данных в нормальной форме Бойса-Кодда. Это означает, что все таблицы находятся в 3НФ, а части составного первичного ключа не зависят от неключевых атрибутов. Поскольку в представленной модели каждая из таблиц имеет простой первичный ключ, то они автоматически находятся в нормальной форме Бойса-Кодда.
Завершая процесс нормализации модели исследуемой предметной области, заметим, что границы области моделирования определяются совокупностью задач, решаемых в рамках информационной системы, которая будет создана на основе представленной модели.
Заключение
Многолетний опыт авторов по формированию у студентов указанных компетенций в рамках преподавания учебных дисциплин, руководства практиками, курсовыми и выпускными квалификационными работами дает основание утверждать, что включение в систему профессиональной подготовки будущих программистов дисциплин «Проектирование баз данных» и «Интеллектуальные системы» напрямую влияет на качество и эффективность процесса формирования профессионально значимых качеств. Данные выводы подтверждаются также отзывами работодателей. Рассматриваемые дисциплины изучают в том числе вопросы создания, анализа и разработки компьютерных моделей и программ, а их содержание и структура разработаны с учетом предложенной системы поэтапного формирования профессиональных компетенций в области моделирования.