Текст в формате PDF - ЦЫМБЛЕР Михаил Леонидович
Текст в формате PDF - ЦЫМБЛЕР Михаил Леонидович
Текст в формате PDF - ЦЫМБЛЕР Михаил Леонидович
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
ВНЕДРЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ<br />
ТЕХНОЛОГИЙ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ СТАНДАРТЫ ПОДГОТОВКИ<br />
ИТ-СПЕЦИАЛИСТОВ НА БАЗЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОННОГО УЧЕБНОГО<br />
КУРСА *<br />
Жигальская Надежда Сергее<strong>в</strong>на (zhnadya@rambler.ru)<br />
Южно-Уральский государст<strong>в</strong>енный уни<strong>в</strong>ерситет, Челябинск<br />
Цымблер <strong>Михаил</strong> Леонидо<strong>в</strong>ич (mzym@susu.ru)<br />
Южно-Уральский государст<strong>в</strong>енный уни<strong>в</strong>ерситет, Челябинск<br />
В докладе предста<strong>в</strong>лен подход к <strong>в</strong>недрению со<strong>в</strong>ременных параллельных<br />
<strong>в</strong>ычислительных технологий <strong>в</strong> процесс подгото<strong>в</strong>ки ИТ-специалисто<strong>в</strong> <strong>в</strong> <strong>в</strong>узах.<br />
Данный подход осно<strong>в</strong>ан на структурно-иерархической модели дидактического<br />
содержания электронного учебного курса и энциклопедии.<br />
В<strong>в</strong>едение<br />
В настоящее <strong>в</strong>ремя актуальной я<strong>в</strong>ляется задача подгото<strong>в</strong>ки специалисто<strong>в</strong>,<br />
бакала<strong>в</strong>ро<strong>в</strong> и магистро<strong>в</strong>, <strong>в</strong>ладеющих со<strong>в</strong>ременными параллельными<br />
<strong>в</strong>ычислительными и суперкомпьютерными технологиями и<br />
способных эффекти<strong>в</strong>но применять их при про<strong>в</strong>едении фундаментальных<br />
и прикладных исследо<strong>в</strong>аний.<br />
Актуальность данной задачи обусло<strong>в</strong>лена следующими осно<strong>в</strong>ными<br />
причинами: массо<strong>в</strong>ое произ<strong>в</strong>одст<strong>в</strong>о персональных компьютеро<strong>в</strong> на базе<br />
многоядерных процессоро<strong>в</strong>, широкое распространение кластерных <strong>в</strong>ычислительных<br />
систем и грид-<strong>в</strong>ычислений.<br />
Компьютер на базе многоядерного процессора фактически я<strong>в</strong>ляется<br />
многопроцессорной <strong>в</strong>ычислительной системой. Таким образом,<br />
<strong>в</strong> настоящее <strong>в</strong>ремя осущест<strong>в</strong>ляется по<strong>в</strong>семестный и массо<strong>в</strong>ый<br />
переход на компьютеры с параллельной архитектурой.<br />
Кластер – это с<strong>в</strong>язанный набор полноценных компьютеро<strong>в</strong>, используемый<br />
<strong>в</strong> качест<strong>в</strong>е единого <strong>в</strong>ычислительного ресурса. Кластеры<br />
могут быть построены из стандартных рабочих станций с<br />
использо<strong>в</strong>анием стандартного сете<strong>в</strong>ого оборудо<strong>в</strong>ания и стандартного<br />
программного обеспечения. Подобные кластеры сочетают<br />
<strong>в</strong> себе экономичность и <strong>в</strong>ысокую <strong>в</strong>ычислительную мощность<br />
и <strong>в</strong> соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ии с рейтингом TOP500 самых мощных суперкомпьютеро<strong>в</strong><br />
мира <strong>в</strong> настоящее <strong>в</strong>ремя претендуют на доминирующее<br />
положение <strong>в</strong> области <strong>в</strong>ысокопроиз<strong>в</strong>одительных <strong>в</strong>ычислений.<br />
С помощью с<strong>в</strong>ободно доступного программного обеспечения<br />
обычные рабочие станции и/или <strong>в</strong>ысокопроиз<strong>в</strong>одительные кластеры,<br />
подключенные к сети Интернет, могут быть объединены <strong>в</strong><br />
единую распределенную <strong>в</strong>ычислительную систему.<br />
В то же <strong>в</strong>ремя сущест<strong>в</strong>ующие образо<strong>в</strong>ательные стандарты подгото<strong>в</strong>ки<br />
ИТ-специалисто<strong>в</strong> не обеспечи<strong>в</strong>ают <strong>в</strong> полной мере ос<strong>в</strong>оение студентами<br />
со<strong>в</strong>ременных параллельных <strong>в</strong>ычислительных технологий.<br />
В настоящее <strong>в</strong>ремя образо<strong>в</strong>ание <strong>в</strong> области параллельных <strong>в</strong>ычислений<br />
базируется на трех дисциплинах: архитектура <strong>в</strong>ычислительных<br />
систем, программиро<strong>в</strong>ание и <strong>в</strong>ычислительная математика. В то же <strong>в</strong>ремя<br />
ряд осно<strong>в</strong>ополагающих факто<strong>в</strong>, методо<strong>в</strong> и технологий решения<br />
больших задач на больших <strong>в</strong>ычислительных системах <strong>в</strong>озник как резуль-<br />
* Работа <strong>в</strong>ыполнена при финансо<strong>в</strong>ой поддержке Рособразо<strong>в</strong>ания
тат исследо<strong>в</strong>аний на стыке нескольких предметных областей. В силу<br />
этого излагаемые <strong>в</strong> соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ующих курсах с<strong>в</strong>едения оказы<strong>в</strong>аются недостаточными<br />
для формиро<strong>в</strong>ания целостной системы знаний, ориентиро<strong>в</strong>анной<br />
на эффекти<strong>в</strong>ное построение параллельных процессо<strong>в</strong>, когда<br />
ресурсы конкретной <strong>в</strong>ычислительной системы на конкретной задаче используются<br />
для достижения максимально <strong>в</strong>озможного ускорения.<br />
Образо<strong>в</strong>ательные курсы, с<strong>в</strong>язанные с <strong>в</strong>ычислительной техникой<br />
или ее использо<strong>в</strong>анием, могут быть разделены на д<strong>в</strong>е группы: базо<strong>в</strong>ые и<br />
специальные. Базо<strong>в</strong>ые курсы носят уни<strong>в</strong>ерсальный характер и не классифицируются<br />
по типам <strong>в</strong>ычислительной техники. Они сформиро<strong>в</strong>ались<br />
на осно<strong>в</strong>е знаний о последо<strong>в</strong>ательных машинах и последо<strong>в</strong>ательных<br />
<strong>в</strong>ычислениях и с течением <strong>в</strong>ремени практически не меняются. В рамках<br />
курса по программиро<strong>в</strong>анию базо<strong>в</strong>ые с<strong>в</strong>едения начинают читаться с<br />
пер<strong>в</strong>ого или <strong>в</strong>торого семестра, <strong>в</strong> рамках курса по численным методам<br />
примерно с третьего семестра. Специальные курсы, относящиеся к параллельным<br />
<strong>в</strong>ычислительным системам, начинают читаться до<strong>в</strong>ольно<br />
поздно (как пра<strong>в</strong>ило, не ранее седьмого или даже де<strong>в</strong>ятого семестра). В<br />
силу этого, как пра<strong>в</strong>ило, не удается <strong>в</strong>ыз<strong>в</strong>ать у студенто<strong>в</strong> интерес к параллельным<br />
<strong>в</strong>ычислительным алгоритмам и показать перспекти<strong>в</strong>у работы<br />
с ними.<br />
В данном докладе рассматри<strong>в</strong>ается проект разработки но<strong>в</strong>ых образо<strong>в</strong>ательных<br />
программ подгото<strong>в</strong>ки бакала<strong>в</strong>ро<strong>в</strong> по напра<strong>в</strong>лениям "Прикладная<br />
математика и информатика" и "Информационные технологии",<br />
напра<strong>в</strong>ленный на ос<strong>в</strong>оение студентами со<strong>в</strong>ременных <strong>в</strong>ысокопроиз<strong>в</strong>одительных<br />
<strong>в</strong>ычислительных технологий и <strong>в</strong>ыполняемый на базе структурно-иерархической<br />
модели дидактического содержания электронного<br />
учебного курса и энциклопедии.<br />
Проекты разработки но<strong>в</strong>ых образо<strong>в</strong>ательных программ подгото<strong>в</strong>ки<br />
ИТ-специалисто<strong>в</strong><br />
В 2008 г. <strong>в</strong> рамках инно<strong>в</strong>ационной образо<strong>в</strong>ательной программы<br />
Южно-Уральского государст<strong>в</strong>енного уни<strong>в</strong>ерситета (ЮУрГУ) "Энерго- и<br />
ресурсосберегающие технологии" приоритетного национального проекта<br />
"Образо<strong>в</strong>ание" был объя<strong>в</strong>лен <strong>в</strong>нутренний конкурс гранто<strong>в</strong> ЮУрГУ на<br />
разработку проекто<strong>в</strong> но<strong>в</strong>ых образо<strong>в</strong>ательных программ по напра<strong>в</strong>лениям<br />
"Прикладная математика и информатика" и "Информационные технологии".<br />
Целью работ я<strong>в</strong>ляется создание проекто<strong>в</strong> но<strong>в</strong>ых образо<strong>в</strong>ательных<br />
программ по указанным напра<strong>в</strong>лениям, которые обеспечи<strong>в</strong>ают подгото<strong>в</strong>ку<br />
специалисто<strong>в</strong>, <strong>в</strong>ладеющих со<strong>в</strong>ременными параллельными <strong>в</strong>ычислительными<br />
и суперкомпьютерными технологиями.<br />
В ходе работ предполагается <strong>в</strong>нести комплексные и согласо<strong>в</strong>анные<br />
изменения <strong>в</strong> ряд базо<strong>в</strong>ых учебных дисциплин с целью <strong>в</strong>недрения <strong>в</strong> учебный<br />
процесс изучения параллельных <strong>в</strong>ычислительных технологий.<br />
Изменениям под<strong>в</strong>ергнутся рабочие программы базо<strong>в</strong>ых учебных<br />
дисциплин, при<strong>в</strong>еденные <strong>в</strong> Табл. 1.<br />
Табл. 1. Перечень учебных дисциплин для модернизации<br />
№<br />
п/п<br />
1.<br />
Шифр<br />
(по ГОС)<br />
Наз<strong>в</strong>ание<br />
Напра<strong>в</strong>ление "Информационные технологии"<br />
ОПД.Ф.11 Вычислительная математика
№<br />
п/п<br />
2.<br />
3.<br />
4.<br />
5.<br />
6.<br />
7.<br />
8.<br />
9.<br />
10.<br />
11.<br />
12.<br />
13.<br />
14.<br />
15.<br />
Шифр<br />
(по ГОС)<br />
Наз<strong>в</strong>ание<br />
ОПД.Ф.13 Практикум на ЭВМ<br />
ЕН.Ф.02.01 Осно<strong>в</strong>ы программиро<strong>в</strong>ания<br />
ОПД.Ф.01 Алгоритмы и анализ сложности<br />
ОПД.Ф.02 Языки программиро<strong>в</strong>ания<br />
ОПД.Ф.03 Архитектура <strong>в</strong>ычислительных систем<br />
ОПД.Ф.04 Операционные системы<br />
ОПД.Ф.05 Компьютерные сети<br />
Напра<strong>в</strong>ление "Прикладная математика и информатика"<br />
ОПД.Ф.07 Практикум на ЭВМ<br />
ОПД.Ф.09 Численные методы<br />
ОПД.Ф.10 Теория игр и исследо<strong>в</strong>ание операций<br />
ЕН.Ф.02 Информатика<br />
ОПД.Ф.05 Языки программиро<strong>в</strong>ания и методы трансляции<br />
ОПД.Ф.06 Системное и прикладное программное обеспечение<br />
ОПД.Ф.08 Методы оптимизации<br />
Препода<strong>в</strong>ание большинст<strong>в</strong>а дисциплин, указанных <strong>в</strong> Табл. 1, начинается<br />
<strong>в</strong> 1-4 семестрах, что поз<strong>в</strong>олит начать препода<strong>в</strong>ание фундаментальных<br />
осно<strong>в</strong> параллельных <strong>в</strong>ычислений с младших курсо<strong>в</strong> и на ранних<br />
этапах обучения <strong>в</strong>ыз<strong>в</strong>ать у студенто<strong>в</strong> интерес к параллельным <strong>в</strong>ычислительным<br />
алгоритмам и показать перспекти<strong>в</strong>у работы с ними.<br />
Модернизируемые учебные дисциплины оформляются <strong>в</strong> <strong>в</strong>иде электронных<br />
учебных курсо<strong>в</strong>. Далее мы рассмотрим структурноиерархическую<br />
модель дидактического содержания такого электронного<br />
учебного курса.<br />
Структурно-иерархическая модель электронного учебного курса<br />
В настоящее <strong>в</strong>ремя имеются международные стандарты на структуру<br />
и предста<strong>в</strong>ление элементо<strong>в</strong> контента электронных учебных курсо<strong>в</strong><br />
(ЭУК). Базо<strong>в</strong>ым стандартом здесь я<strong>в</strong>ляется SCORM [1], обеспечи<strong>в</strong>ающий<br />
<strong>в</strong>озможность переноса элементо<strong>в</strong> контента из одного ЭУК <strong>в</strong> другой<br />
на физическом уро<strong>в</strong>не. Однако до сих пор отсутст<strong>в</strong>уют стандарты, определяющие<br />
принципы формиро<strong>в</strong>ания дидактической структуры ЭУК. Это<br />
ограничи<strong>в</strong>ает <strong>в</strong>озможность переноса методических разработок между<br />
различными ЭУК и препятст<strong>в</strong>ует получению максимального эффекта при<br />
<strong>в</strong>недрении электронного образо<strong>в</strong>ания <strong>в</strong> <strong>в</strong>ысшей школе. В соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ие с<br />
этим я<strong>в</strong>ляется актуальной задача разработки <strong>в</strong>ысокоуро<strong>в</strong>не<strong>в</strong>ой дидактической<br />
модели ЭУК, которая могла бы <strong>в</strong>последст<strong>в</strong>ии послужить осно<strong>в</strong>ой<br />
для создания соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ующего стандарта.<br />
В работе [2] предложена структурно-иерархическая модель дидактического<br />
содержания электронного учебного курса. Модель <strong>в</strong>ключает <strong>в</strong><br />
себя следующие осно<strong>в</strong>ные понятия.<br />
Стандарт – электронное предста<strong>в</strong>ление федерального государст<strong>в</strong>енного<br />
образо<strong>в</strong>ательного стандарта <strong>в</strong>ысшего профессионального образо<strong>в</strong>ания.<br />
Граф-план – иерархическое предста<strong>в</strong>ление рабочей программы<br />
учебной дисциплины.
Энциклопедия – со<strong>в</strong>окупность аналогичных по дидактической структуре<br />
модулей, описы<strong>в</strong>ающих определенную предметную область.<br />
Схема энциклопедии – определение дидактической структуры модулей<br />
энциклопедии.<br />
Модуль – базо<strong>в</strong>ая имено<strong>в</strong>анная структурная единица энциклопедии.<br />
Семантически модуль соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ует некоторому предметному понятию,<br />
"сло<strong>в</strong>арной статье".<br />
Компонента модуля – элемент дидактической структуры модуля.<br />
Курс – со<strong>в</strong>окупность модулей, <strong>в</strong>ыбранных из одной или нескольких<br />
энциклопедий, и организо<strong>в</strong>анных <strong>в</strong> иерархию <strong>в</strong> соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ии с определенным<br />
граф-планом.<br />
Модель предусматри<strong>в</strong>ает следующие осно<strong>в</strong>ные классы пользо<strong>в</strong>ателей.<br />
Методист – пользо<strong>в</strong>атель, занимающийся <strong>в</strong><strong>в</strong>одом стандарто<strong>в</strong> и<br />
граф-плано<strong>в</strong> <strong>в</strong> систему. Профессор – пользо<strong>в</strong>атель, разрабаты<strong>в</strong>ающий и<br />
сопро<strong>в</strong>ождающий энциклопедии. Доцент – пользо<strong>в</strong>атель, разрабаты<strong>в</strong>ающий<br />
и сопро<strong>в</strong>ождающий курсы. Препода<strong>в</strong>атель – пользо<strong>в</strong>атель, настраи<strong>в</strong>ающий<br />
сущест<strong>в</strong>ующие курсы для использо<strong>в</strong>ания <strong>в</strong> учебном процессе.<br />
Студент – пользо<strong>в</strong>атель системы, ос<strong>в</strong>аи<strong>в</strong>ающий курсы.<br />
В рамках модели каждый модуль состоит из заголо<strong>в</strong>ка и набора<br />
имено<strong>в</strong>анных дидактических компонент. Семантика компоненты определяется<br />
ее компонентным типом. Каждый компонентный тип определяется<br />
путем задания набора атрибуто<strong>в</strong> и набора операций.<br />
Компонентный тип <strong>в</strong>ключает <strong>в</strong> себя следующий минимальный набор<br />
атрибуто<strong>в</strong>:<br />
name – имя компонентного типа;<br />
description – описание назначения компонентного типа;<br />
exec – хранимая процедура.<br />
Набор операций компонентного типа <strong>в</strong>ключает <strong>в</strong> себя следующие<br />
операции:<br />
create – создание компоненты;<br />
delete – удаление компоненты (ос<strong>в</strong>обождение памяти, занимаемой<br />
атрибутами компоненты);<br />
browse – просмотр атрибуто<strong>в</strong> компоненты без <strong>в</strong>озможности изменения;<br />
run – запуск процедуры exec;<br />
print – получение предста<strong>в</strong>ления, пригодного для печати (с<strong>в</strong>едение<br />
информации из <strong>в</strong>сех <strong>в</strong>ыделенных модулей заданной компоненты<br />
<strong>в</strong> документ, пригодный для печати);<br />
edit – редактиро<strong>в</strong>ание компоненты.<br />
Для <strong>в</strong>сех компонентных типо<strong>в</strong> инструментальная среда должна<br />
поддержи<strong>в</strong>ать методы реализации базо<strong>в</strong>ых операций. При этом реализация<br />
некоторых операций может быть пустой, то есть не <strong>в</strong>ыполнять никаких<br />
дейст<strong>в</strong>ий.<br />
В модели предусмотрены следующие компонентные типы:<br />
theory – раз<strong>в</strong>ернутое теоретическое описание понятия;<br />
summary – краткое теоретическое описание понятия, определение<br />
или формула для расчета;<br />
examples – список примеро<strong>в</strong>, иллюстрирующих те или иные отличительные<br />
черты понятия;
exercises – список упражнений для самостоятельного <strong>в</strong>ыполнения;<br />
questions – открытый для студента список <strong>в</strong>опросо<strong>в</strong> для самопро<strong>в</strong>ерки;<br />
test – закрытый для студента список <strong>в</strong>опросо<strong>в</strong> для контроля ус<strong>в</strong>оения<br />
учебного материала;<br />
bibliography – библиография по заданной теме.<br />
На осно<strong>в</strong>е предложенной модели на кафедре системного программиро<strong>в</strong>ания<br />
ЮУрГУ разработана система электронного обучения UniCST<br />
(Universal Computer System for Tutoring) [3]. В рамках проекта создания<br />
проекто<strong>в</strong> но<strong>в</strong>ых образо<strong>в</strong>ательных программ по напра<strong>в</strong>лениям "Прикладная<br />
математика и информатика" и "Информационные технологии" система<br />
UniCST используется для разработки электронных учебных энциклопедий<br />
и электронных учебных курсо<strong>в</strong> на их осно<strong>в</strong>е с целью <strong>в</strong>недрения<br />
<strong>в</strong> учебный процесс передо<strong>в</strong>ых параллельных и суперкомпьютерных <strong>в</strong>ычислительных<br />
технологий.<br />
Заключение<br />
В докладе рассмотрен проект разработки но<strong>в</strong>ых образо<strong>в</strong>ательных<br />
программ по напра<strong>в</strong>лениям "Прикладная математика и информатика" и<br />
"Информационные технологии", осущест<strong>в</strong>ляемый <strong>в</strong> рамках инно<strong>в</strong>ационной<br />
образо<strong>в</strong>ательной программы Южно-Уральского государст<strong>в</strong>енного<br />
уни<strong>в</strong>ерситета приоритетного национального проекта "Образо<strong>в</strong>ание".<br />
Созда<strong>в</strong>аемые образо<strong>в</strong>ательные программы приз<strong>в</strong>аны обеспечить<br />
подгото<strong>в</strong>ку специалисто<strong>в</strong>, <strong>в</strong>ладеющих со<strong>в</strong>ременными параллельными<br />
<strong>в</strong>ычислительными и суперкомпьютерными технологиями. Работы предполагают<br />
<strong>в</strong>несение комплексных и согласо<strong>в</strong>анных изменений <strong>в</strong> ряд базо<strong>в</strong>ых<br />
учебных дисциплин с целью <strong>в</strong>недрения <strong>в</strong> учебный процесс изучения<br />
параллельных <strong>в</strong>ычислительных технологий.<br />
Рассмотрена структурно-иерархическая модель дидактического содержания<br />
электронного учебного курса, <strong>в</strong> <strong>в</strong>иде которого оформляется<br />
изменяемая базо<strong>в</strong>ая учебная дисциплина.<br />
Литература<br />
1. Advanced Distributed Learning. Sharable Content Object Reference<br />
Model (SCORM) 2004. / Пере<strong>в</strong>од с англ. Е.В. Кузьминой. - М.:<br />
ФГУ ГНИИ ИТТ "Информика", 2005.<br />
2. Жигальская Н.С., Соколинский Л.Б. Стандартизация<br />
содержания электронных учебных курсо<strong>в</strong> и энциклопедий на<br />
осно<strong>в</strong>е структурно-иерархического подхода // Но<strong>в</strong>ые<br />
информационные технологии <strong>в</strong> образо<strong>в</strong>ании: Материалы<br />
междунар. науч.-практ. конф., Екатеринбург , 26-28 фе<strong>в</strong>раля<br />
2008 г.: В 2 ч. -Екатеринбург: Изд-<strong>в</strong>о Рос. гос. проф.-пед. ун-та,<br />
2008. -Ч. 1. -С. 84-89.<br />
3. Жигальская Н.С. Модель <strong>в</strong>арианто<strong>в</strong> использо<strong>в</strong>ания<br />
уни<strong>в</strong>ерсальной среды электронного обучения UniCST //<br />
Инно<strong>в</strong>ационные технологии обучения: проблемы и<br />
перспекти<strong>в</strong>ы: Материалы Всерос. науч.-метод. конф., Липецк,<br />
29-30 марта 2008 г. -Липецк: Изд-<strong>в</strong>о ЛГПУ, 2008. –С. 204-207
![Bkihevah\Zgb_,QWHUQHWl_ogheh]bc \dhee_dlb\ghcjZajZ[hld_ [hevrboijh]jZffguokbkl_f](https://img.yumpu.com/53838306/1/190x135/bkihevahzgb-qwhuqhwl-oghehbc-dhee-dlbghcjzajzhld-hevrboijhjzffguokbkl-f.jpg?quality=85)
Change language