Содержание к диссертации
Введение
1. Информационно-логические аспекты моделирования процедуры управления учебным процессом 15
1.1. Системный анализ управления учебным процессом 15
1.2. Актуальные задачи автоматизации управления вузом на основе новых информационных технологий 25
1.3. Цель и задачи исследования 40
2. Автоматическое управление приоритетами как метод оптимизации потоков запросов к информационным ресурсам вуза 42
2.1. Актуальные аспекты реализации иис ВУЗА 42
2.2. Проблемы реализации интегрированных сред 56
3. Приоритизация информационных потоков в иис вуза 73
3.1. Обзор существующих методик обоснования требований важности, предъявляемых к ади... 73
3.2. Анализ математических методов поддержки принятия решений 86
3.3. Постановка задачи синтеза ади и этапы ее решения 90
3.4. Разработка и описание принципиального алгоритма функционирования иис вуза 96
4. Реализация иис вуза на основе разработанной методики приоритизации доступа 101
4.1. Некоторые общие аспекты разработки иис вуза 101
4.2. Предпосылки автоматизации управления учебным процессом в вузе 104
4.3. Общая характеристика разрабатываемой иис вуза 107
4.4. Выбор программного обеспечения для реализации иис вуза 110
4.5. Практическая реализация подсистемы «деканат», как части иис вуза 111
4.6. Порядок работы с программой «деканат» 114
Заключение 123
Список литературы 124
Приложение
- Актуальные задачи автоматизации управления вузом на основе новых информационных технологий
- Проблемы реализации интегрированных сред
- Анализ математических методов поддержки принятия решений
- Предпосылки автоматизации управления учебным процессом в вузе
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В условиях глубокого реформирования среднего и высшего образования в России особая роль отводится высшей школе Среди служб вуза (учебно-методический отдел, управление кадров, планово-финансовое управление, бухгалтерия, юридический отдел и другие) главным является учебно-методический отдел, задающий весь образовательный процесс (планирование, координация и контроль) Поэтому совершенствование учебной работы вуза, в связи с переходом системы подготовки инженерных кадров на многоуровневую структуру образования и внедрением для ее реализации новой организационно-методологической основы, базирующейся на широком использовании информационных технологий обучения, прежде всего должно коснуться совершенствования планово-координирующих функций учебно-методического отдела
Эти функции технического вуза находятся в сфере системы административного управления, а задачей совершенствования их является создание системы автоматизации информационного обслуживания всех структурных частей образовательного учреждения, использующей внешние и внутренние информационные ресурсы
Анализ работ в области создания и использования автоматизированных систем управления на базе компьютерных комплексов показал, что в основном, они ориентированы на производственные сферы, проектно-конструкторские организации, научно-исследовательские институты Учебно-методические работы в области информатизации систем административного управления образованием чрезвычайно малочисленны
Среди имеющихся систем информационного обеспечения управленческого процесса они либо не имеют непосредственного отношения к организации процесса обучения, либо решают частные задачи, а систем, решающих проблему автоматизированного планирования, проведения и контроля учебного процесса в техническом вузе, практически нет
Таким образом, актуальность темы исследований объясняется практической потребностью в интеллектуализации управления учебным процессом на основе внешних и внутренних информационных ресурсов и необходимостью внедрения автоматизированной системы обслуживания учебного процесса
Работа выполнена в соответствии с межвузовской научно-технической программой 12 11 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» и с одним из основных научных направлений ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет" «Проблемно-ориентированные системы управления»
Цели и задачи исследования Целью исследования является разработка комплекса структурных и оптимизационных моделей, алгоритмов принятия решения интеллектуализации управления образовательным процессом в вузе в условиях развития интеграционных процессов и применения информационно-дистанционных технологий
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ отечественного и зарубежного практического опыта использования систем автоматизированного планирования учебного процесса, автоматизированных систем контроля за качеством обучения, интегрирования их в единую информационную систему вуза,
проанализировать существующую в вузе систему административного управления учебным процессом, ее составляющие, взаимосвязи между подсистемами и их функции,
разработать модель информационной среды образовательного учреждения, которая может быть использована при создании системы автоматизации учебного заведения,
разработать математическую модель подсистемы управления приоритетами в структуре документооборота интегрированной информационной системы, что позволит интеллектуализировать управление учебным процессом в вузе,
разработать структуру автоматизированной интегрированной информационной системы вуза, объединяющей внешние и внутренние информационные ресурсы учебного заведения и позволяющей оптимизировать управление процессом образования с применением информационно-дистанционных технологий,
разработать алгоритм функционирования подсистемы управления приоритетами
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории управления, математические методы и аппарат вычислительной математики, методы теории систем, методы моделирования и оптимизации, системный и математический анализ
При разработке архитектуры информационной системы использовались методы проектирования моделей данных и процессов, реляционная теория данных, методы объектно-ориентированного программирования и предметно-ориентированного проектирования
Научная новизна результатов исследования. В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной
математическая модель диспетчеризации информации для управления приоритетами в составе интегрированных информационных систем вуза, позволяющая интеллектуализировать документооборот и, как следствие, оптимизировать процесс принятия управленческих решений,
карта интегрированных информационных систем вуза с классификацией факторов, влияющих на эффективное управление образовательным процессом в вузе,
алгоритм функционирования подсистемы управления приоритетами в составе интегрированных информационных систем вуза, позволяющий решать задачи оптимального управления с учетом как внешних факторов, так и внутренних, обуславливающих его потенциальные возможности, степень их реализации и перспективы развития,
структура информационной системы управления образовательным процессом, отличающаяся высокой степенью интеграции внешних и внутренних информационных ресурсов вуза и возможностью дистанционного доступа к структурированным базам данных
Практическая значимость и результаты внедрения. Разработанные модели и процедуры управления образовательным процессом в вузе являются основой для развития математического обеспечения интегрированной информационной системы вуза, применение которой позволит повысить эффективность административно-управленческой работы в учебном заведении
Прикладное значение работы связано с практической реализацией модели интегрированной информационной системы вуза и непосредственного применения на практике разработанной компьютерной системы управления образовательным процессом
Результаты исследования апробированы и внедрены в деканатах факультетов ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» Материалы диссертации используются в учебном процессе кафедры КИТП ВГТУ
Кроме того, было зарегистрировано разработанное автором программное средство в Государственном Фонде алгоритмов и программ за номером №50200400101 от 19 02 2004г
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научной конференции (Москва, МЭСИ, 2002), III Международной научно-практической конференции (Новочеркасск, ЮРГТУ, 2002), 10-й Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'2003» (Воронеж, 2003), Всероссийской конференции «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж, 2004), а также на внутриву-зовской научно-практической конференции «Инновационные информацион-
ные технологии в образовании» (Воронеж, 2006, 2007), научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов, секция «Системы автоматизированного проектирования» (Воронеж, 2007), внутривузовском научном семинаре «Комплексные решения для автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства» (Воронеж, 2007), научно - тематическом семинаре кафедры КИТП ВГТУ (Воронеж, 2005,2008)
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 18 научных работ, в том числе 4 - в издании, рекомендованном ВАК РФ
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат труды, в которых выделены особенности функционирования сложных Internet-ориентированных систем управления образовательным процессом [1-6, 12, 13], проанализированы возможности использования систем управления базами данных для построения интеллектуальных систем [7, 8], изучены методические, информационные и технологические аспекты моделирования информационных систем управления учебным процессом и проблемы их интеграции в единую систему управления образованием [9,10, 14-17]
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 195 наименований, и приложений Основная часть работы изложена на 137 страницах, содержит 22 рисунка и 3 таблицы
Актуальные задачи автоматизации управления вузом на основе новых информационных технологий
Информатизация современного общества активно отражается на образовательном процессе: постоянно идет обновление существующего программного обеспечения; совершенствуется компьютерная техника; возникают новые информационные технологии в образовании. Это обуславливается быстроизменяющимися потоками информации, в связи с чем, в курсах многих предметов общеобразовательного цикла предлагаются новые проекты стандарта образования, ВУЗы выдвигают новые требования к вступительным экзаменам; кроме того, свой отпечаток накладывают региональные особенности.
Сущность информационных технологий лежит значительно глубже, чем только переход к новым методам использования учебных материалов и формам коммуникации в процессах обучения. Они постепенно изменяют организацию учебного процесса и подготавливают образование к кардинальным переменам. Успешность и качество современного обучения в большей мере зависят от эффективной организации, педагогических условий, качества используемых материалов, подготовленности педагогов к работе в условиях быстрого нарастания потока информации, возможности овладения современными методами поиска, отбора и использования информации.
Можно выделить два основных направления информатизации процесса обучения: 1) внедрение и применение информационных технологий непосредственно в процессе обучения; 2) информатизация системы управления этим процессом.
Особо стоит обратить внимание на второе направление, так как именно оно в сегодняшних условиях способно значительно повысить эффективность обучения студентов.
Процедура управления учебным процессом (планирования, организации учебного процесса, учета выполнения учебной работы, анализ качества и эффективности учебного процесса) отличается высокой степенью трудоемкости, повторяемостью однотипных действий, взаимосвязью многих элементов, большим массивом информации, высокой степенью риска от допущенных ошибок.
Бесспорным кажется тот факт, что снятие рутинной нагрузки делает средства информационных технологий наиболее популярными среди специалистов различных звеньев управления. В системе высшего профессионального образования особенно много рутины при планировании и организации учебного процесса. Сложность управления учебным процессом заключается в том, что оценка качества управления и корректировка учебных планов, распределения нагрузки, расписания занятий возможны только после завершения определенного цикла обучения (семестра, учебного года и т. п.). Использование автоматизированной системы планирования и организации учебного процесса способствует координации потоков информации, ускорения процессов ее обработки, оптимизации процессов принятия управленческих решений.
Для этого необходимо создание единой информационной образовательной среды, так как имея отдельные средства для реализации каких-то административно-управленческих задач, управление образовательным процессом далеко от единства содержания и средств. Несомненно основой такой системы должна быть интегрированная информационная система ВУЗа (ИИС ВУЗа), которая комплексно объединит различные структурные подразделения и службы ВУЗа в единую систему. Помимо этого необходимо иметь отлаженную систему документооборота того или иного образовательного подразделения. Эти две основные составляющие и образуют единую информационную образовательную среду.
Эффективность любого вида управления зависит от двух составляющих: материально-технической базы и технологий, используемых при организации и управлении образовательной деятельностью. Другими словами, успешность и качество современного управления в большей мере зависят от эффективной организации и подготовленности административно-управленческого персонала к работе в условиях лавинообразного нарастания потока информации.
Современные информационные технологии предоставляют практически неограниченные возможности в размещении, хранении, обработке и доставке информации на любые расстояния, любого объема и содержания.
Учебный процесс, с точки зрения управления объектами в условиях ограниченных ресурсов, может быть разделен на три основных этапа.
Первый этап — этап планирования, этот этап может быть разделен на две составных части — планирование учебной нагрузки, т. е. закрепление учебных занятий в группах за конкретными преподавателями, и планирование поведения процесса, т. е. распределение этих занятий во времени (составление расписания).
На втором этапе выполняется учебный процесс. В период выполнения этого этапа возможны отклонения от начальных значения состава преподавателей, аудиторного фонда, групп студентов. Управление на этом этапе сводится к минимизации потерь от этих отклонений без изменения общего расписания. Минимизация этих потерь может быть спланирована на этапе составления расписания при учете критериев устойчивости расписания к таким отклонениям.
Проблемы реализации интегрированных сред
При проектировании современных крупномасштабных информационных систем разработчики, как правило, ориентируются на технологию "клиент-сервер". Основными проблемами, с которыми они сталкиваются в ходе разработки информационных систем, являются: 1) прикладная задача создания высокопроизводительных и надежных многопользовательских программных комплексов; 2) интеграция воедино разнообразных программно-аппаратных платформ, зачастую, имеющих существенные отличия друг от друга.
Вторая проблема — проблема кросс-платформенных разработок - особенно актуальна в настоящее время и заслуживает отдельного рассмотрения. Общеизвестно, что чем больше производителей поддерживают тот или иной программный или аппаратный стандарт, тем проще интегрировать такие программные или аппаратные платформы друг с другом, тем дешевле стоимость разработки ИИС, тем ниже расходы на эксплуатацию, поддержку и развитие таких систем. Исторически сформировавшаяся к настоящему времени тенденция развития компьютерных сетей установило de-facto стандарт на применение технологии "клиент-сервер". Стоит, однако, отметить, что в абсолютном большинстве ВУЗов имеющиеся АРМы сотрудников административно-управленческого аппарата представляют собой достаточно старые маломощные рабочие станции, работающие с постоянно возрастающими объемами информации на пределе своих возможностей. Серверные платформы, на которых непосредственно функционируют базы данных, обладают высоким быстродействием, но их работа не может считаться эффективной, поскольку сервер вынужден простаивать, пока медленные рабочие станции переработают отправленный на них информационный поток. Для решения проблемы информационной разгрузки клиентского программного обеспечения требуется некоторое промежуточное звено, которое будет выполнять роль концентратора операций как с сервера, так и с клиента - сервер приложений, а также стандартизованный протокол для связи между сервером приложений и сервером баз данных с одной стороны, и между сервером приложений и рабочими станциями - с другой. Соответственно, снижаются системные требования к клиентским рабочим станциям, значительно сокращаются затраты на развертывание и поддержку системы, а при использовании Java-технологий администраторы ИИС могут выполнить обновление программного обеспечения на всех клиентских АРМах и серверах с любой машины локальной сети.
Кроме того, в пользу трехкомпонентной "клиент-серверной" технологии свидетельствует возможность разделения работы пользователей на несколько серверов приложений в зависимости от длительности обращения того или иного пользователя к серверу баз данных. Тем самым можно добиться существенного повышения надежности и быстродействия ИИС.
Программное обеспечение, выполняющее операции взаимосвязи функциональных блоков сетевой инфраструктуры, так называемое "middleware" — программное обеспечение среднего звена. В настоящее время существуют множество моделей распределенных вычислений, такие как: DCE, CORBA, DCOM, SOM, RMI.
Таким образом, очевидна большая эффективность технологии "тонкий клиент - сервер (или несколько серверов) приложений - сервер баз данных" по сравнению с классической "клиент-серверной" технологией.
Еще одним узким местом является создание разработчиками ИИС собственных уникальных сред взаимодействия объектов (пусть даже и в разы более эффективных, нежели общепринятые). Это приводит с одной стороны, к резкому увеличению затрат на реализацию проекта построения ИИС, и к ущербности полученного решения - с другой. Исследования проектов создания ИИС позволяют сделать вывод о том, что во избежание неоправданных затрат на разработку собственной уникальной информационной среды необходимо использовать уже существующие реализации моделей, относящиеся к промежуточному программному обеспечению и реализующие необходимые взаимодействия. Одним из основных требований к любой достаточно крупной ИИС является использование программных продуктов и моделей, удовлетворяющих международным и промышленным стандартам в области открытых ИИС.
Анализ математических методов поддержки принятия решений
Проведенный анализ классических методов поддержки принятия решения, нашедших широкое применение в различных прикладных областях, с целью выявления их достоинств и недостатков, позволяет утверждать, что они по своей природе не предназначены для решения задач интеллектуальной обработки и последующего анализа данных.
На сегодняшний день в теории принятия решения широко известны следующие методы: 1. Методы теории полезности. Теория полезности, изложенная в работе "Теория игр и экономическое поведение", носит аксиометрический характер. Авторы показали, что, если предпочтения людей по отношению к определенным играм (лотереям) удовлетворяют ряду аксиом, то их поведение может рассматриваться как максимизация ожидаемой полезности.
В работах Дж. фон Неймана и О. Моргенштерна предполагается, что вероятности даны как объективно известные величины. Д. Сэдвиж разработал аксиоматическую теорию, позволяющую одновременно измерять полезность и субъективную вероятность. Это нашло отображение в модели субъективной ожидаемой полезности (СОП), где вероятность уже определяется как степень уверенности в свершении того или иного события. Модель нашла широкое применение среди экономистов и рассматривается ими как обоснованное средство выбора наилучших решений. Достоинством модели СОП является возможность задним числом так подобрать параметры модели СОП, что она объясняет любой сделанный выбор.
СОП рассматривается и в работе X. Райфа "Анализ решений: введение в проблему выбора в условиях неопределённости". Автором обоснован метод деревьев решений, суть которого состоит в разбиении задачи на ряд подзадач, а те, в свою очередь, на другие подзадачи, и так далее. В результате основная задача представляется в виде дерева решений (ДР). В части вершин ДР выбор осуществляется непосредственно ЛПР, в другой части - на основе субъективной вероятности свершения событий. ДР завершается исходами, каждому из которых приписывается определенная полезность. Вероятность каждого исхода подсчитывается как произведение субъективных вероятностей на пути, идущем от вершины ДР. Путем "сворачивания" ДР от конца к началу выбирается исход с наибольшей субъективной ожидаемой полезностью. Метод деревьев решений позволяет ЛПР, определить оптимальную последовательность действий (стратегию) с учетом личных оценок и предпочтений. Выбранная стратегия будет "лучшей" на данный момент из тех многих, которые имеются в распоряжении. "Лучшей", в смысле сравнения с множеством стратегий, которые стоило бы рассмотреть, стратегия будет в том случае, если она будет наиболее эффективной и рациональной в данной ситуации.
В основу многокритериальной теории полезности (МТП) положен научный труд Р. Кинни и X. Райфа "Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения". Учеными делается предположение, что варианты решений имеют оценки по многим критериям. В качестве дополнительных к общим аксиомам выступают аксиомы (условия) независимости, на основании которых доказываются теоремы о виде функции полезности. Авторы доказали, что при выполнении условия строгой условной независимости по полезности, функция полезности имеет либо аддитивный, либо мультипликативный вид, причем
МТП, как и предыдущие методы, строится аксиоматическим способом. В качестве достоинства МТП отмечается детальная проработанность процедур выявления предпочтений ЛПР. 2. Методы теории проспектов (TIP. Проспект - игра с вероятностными исходами. В методах ТП учитывается 3 поведенческих эффекта: 1. Эффект определенности - тенденция придавать больший вес детерминированным исходам. 2. Эффект отражения - к измерению предпочтений при переходе от выигрышей к потерям. 3. Эффект изоляции - тенденция к упрощению выбора путем исключения общих компонент вариантов решения. Методы ТП, также как и предыдущие методы, имеют аксиоматические основы. Недостатком является то, что данный метод не снимает все проблемы, возникающие при изучении поведения людей в задачах выбора решения. Главным недостатком всех перечисленных аксиоматических теорий является непроверяемый характер аксиом, что означает на практике требование к человеку принимать на веру правила рационального поведения, вытекающие из той или иной теории. 3. Методы ELECTRE. Французской школой теории принятия решений, возглавляемой Б. Руа, был предложен конструктивный подход к выработке решений, в рамках которого методы, модели и концепции рассматриваются как вспомогательные средства практического анализа ситуации. Эти средства позволяют, как уяснить цели принятия решения, так и лучше понять предпочтения ЛПР. Недостатком методов ELECTRE является то, что они являются вспомогательными средствами, а не способом выработки лучшего решения как при аксиоматическом подходе.
Предпосылки автоматизации управления учебным процессом в вузе
Для отечественной системы образования вообще, и большинства высших учебных заведений в частности, в настоящее время характерно наличие централизованной системы управления. Соответственно организационные структуры ВУЗов чаще всего представляют собой иерархические структуры, или композиции иерархической и других структур. Централизованное управление и специфика организационной структуры обуславливают наличие централизованного планирования развития ВУЗов и системы образования, в том числе и в случае автоматизации их деятельности. Поэтому условия автоматизации управления учебным процессом в ВУЗах можно сравнить с условиями автоматизации предприятий и организаций в государстве с плановой экономикой. Для таких организаций характерно наличие традиционного делопроизводства и документооборота. Кроме того, централизация накладывает ограничения на материальные, технические и людские ресурсы, привлекаемые к разработке, а также, зачастую, делает невозможным проведение реинжиниринга учебного и вспомогательных процессов в соответствии с требованиями, необходимыми для их автоматизации. В результате автоматизация процессов в ВУЗе происходит снизу вверх, а цели автоматизации деятельности нижних и средних уровней организационной структуры ограничены: на нижнем уровне - функциональными обязанностями сотрудников-исполнителей и отсутствием между ними горизонтальных связей в организационной структуре; на среднем уровне - рамками подразделений, подчиняющихся конкретному руководителю. Автоматизации планирования деятельности ВУЗа в целом и согласования деятельности отдельных его подразделений возможна только на уровне высшего руководства и требует сбора, накопления и обработки данных, предоставляемых нижними и средними уровнями иерархии организационной структуры ВУЗа.
Поэтому для решения данной проблемы предлагается при проведении автоматизации учётных задач в максимальной степени автоматизировать функции пользователей нижнего звена - обеспечить поддержку системой ряда функций, выполняемых пользователями традиционным способом. Примером могут быть функции автоматизированного формирования отчётной документации и распорядительных документов, ведения статистики, поддержки электронного документооборота, выполнения расчётов, связанных с назначением и изменением стипендий и окладов и т.п. Это позволит сократить временные затраты пользователей на выполнение их должностных обязанностей и обеспечить их заинтересованность не только в работе с системой, но и поддержкой актуальности и корректности данных в ней. На данном этапе разработке существует возможность показать эффект от использования системы и заинтересовать пользователей более высокого уровня в развитии системы, и, возможно, привлечь дополнительные ресурсы для разработки.
Поскольку фактически система создаётся под конкретный бизнес-процесс и разработчики не могут оказывать на них влияние, следует заложить в ИС возможность гибкой адаптации к изменениям автоматизируемых бизнес-процессов. Например, при введении альтернативных дисциплин, вступлении ВУЗа в Болонский процесс или при проведении зачисления абитуриентов на основании результатов единого государственного экзамена (ЕГЭ), студенты одной академической группы могут изучать различные дисциплины. Изменения статуса студента удобнее также отслеживать не в рамках семестра, а относительно дат, указанных в соответствующих приказах по контингенту студентов. Семестр же можно определить как определённый интервал времени, ограниченный двумя датами и т.п.
Обеспечение системы достоверными и актуальными учётными данными предоставит возможность осуществления автоматизации функций различных подразделений ВУЗа, для которых эти данные являются исходными. Впоследствии возможно осуществление автоматизации функций пользователей среднего и высшего звена - создание автоматизированных рабочих мест деканов, ректора и т.п., требования которых к системе предъявляются в виде предоставления статистической информации и поддержки принятия решений на её основе.
