Применение программных продуктов специального назначения в ходе формирования профессионализма

 

Реалии сегодняшнего дня предъявляют новые требования к уровню подготовки студентов технических специальностей, их профессиональным и практическим навыкам. Основной акцент ставится на качество знаний информационных технологий предметной области.

Компьютерную подготовку в вузе можно разделить на два этапа. На первой ступени делается упор на теоретическую основу информационных технологий, на второй - материал излагается на более высоком научно-техническом уровне с ориентированием обучающихся не только на практическое использование, но и на творческое развитие профессиональных знаний, на их реализацию в различных ситуациях.

Система качества обучения прикладным пакетам программ специального назначения базируется на двух основных компонентах:

- Организация учебного процесса в вузе

- Выбор перечня программ профессионального назначения.

С точки зрения содержания учебных планов выпускник должен иметь определенный логически завершенный объем знаний, необходимый для практической работы. Это достигается выделением большего количества аудиторных занятий для компьютерных дисциплин специальности и специализации. Удельный вес компьютерных дисциплин специальности и специализации в общем объеме компьютерных дисциплин в ПГТУ составляет 58%.

Профессиональная ориентация личности в высшем учебном заведении предполагает диагностику и развитие профессионально важных качеств (ПВК) (высокий уровень социализации, нервно - психическая устойчивость, познавательная устойчивость, познавательная активность, коммуникативная компетентность, организаторские способности и т.д.), интересов и склонностей, будущих специалистов, а также изучение потребностно-мотивационной сферы деятельности личности (что побуждает и привлекает к профессии).

Подготовка специалистов технического профиля в вузах направлена на формирование у них высокого уровня профессиональных знаний, который не возможен в новом «информационном» веке без высокого уровня информационной культуры в области информационных технологий, одной из граней которой является эффективное использование прикладных программных продуктов в будущей профессиональной деятельности. Технологии AutoCAD, MathCAD быстро проникают в инженерную сферу. Опыт использования AutoCAD, MathCAD инженерами ведущих стран мира показывает высокую эффективность их применения. Несомненно, и Россия в ближайшем будущем придет к широкому использованию AutoCAD, MathCAD для решения инженерных задач. AutoCAD, MathCAD представляют собой особый класс программного обеспечения, который занял заметное положение в различных «нишах» компьютерных технологий. Опыт работы с системами MathCAD, AutoCAD позволяет сделать вывод, что это превосходные инструменты для повседневной работы студентов, аспирантов, инженеров и ученых.

Мы согласны с мнением многих исследователей в том, что на современном этапе развития системы высшего образования в качестве ведущей роли наряду с подготовкой специалистов выдвигается и цель формирования личности, способной к саморазвитию в процессе профессиональной деятельности. При проектировании личности будущего специалиста исходят из структурно-функциональной модели его профессиональной деятельности. Значительной характеристикой личности является деятельность, которая, в первую очередь, детерминирует ее становление и в которой личность себя обнаруживает и направляет. (Бабанский Ю.К., Полутина Г.Н., Попков В.А., и др.).

Последовательное изменение ведущей деятельности от объекта педагогического воздействия до субъекта профессиональной деятельности ведет к достижению цели - подготовке специалиста с развитыми свойствами и качествами личности, необходимыми будущему инженеру. Необходим высокий общий уровень самоорганизации, который свидетельствовал бы об автономности человека в организации собственной жизни, его способности самостоятельно и осознанно ставить цели, анализировать ситуацию, моделировать работу по достижению выдвинутой цели, выделять критерии ее оценки и контролировать ход выполнения как промежуточных, так и конечных результатов деятельности, адекватно и оперативно реагировать на любые изменения.

Субъект с высокими показателями уровня самоорганизации при значимой мотивации достижения способен компенсировать влияние личностных, характерологических особенностей, препятствующих достижению цели. Чем выше уровень самоорганизации, тем легче он овладевает новыми видами деятельности, увереннее чувствует себя в незнакомых ситуациях, тем стабильнее его успехи в привычных сферах жизни. У человека с низкими общим уровнем самоорганизации потребность в осознанной, самостоятельной организации собственной деятельности не сформирована. Он более зависим от ситуации и мнения окружающих людей, часто и некритично следует чужим советам. Его цели и планы действий вырабатываются под влиянием других людей, несамостоятельно. Возможность компенсации неблагоприятных для достижения поставленной цели личностных особенностей у такого человека снижена по сравнению с людьми, обладающими высоким уровнем самоорганизации, а успешность овладения новыми видами деятельности в большой степени зависит от особенностей конкретного вида деятельности.

Со временем открываются все новые перспективы применения новых компьютерных технологий, освоение этих технологий зачастую требует от обучаемого высокого уровня самоорганизации. Упор был сделан на обучение будущих инженеров практической работе с MathCAD, AutoCAD и демонстрацию MathCAD, AutoCAD, как великолепного инструмента для их повседневной работы. Даже имея лишь общие представления о данных программных продуктах, инженер должен работать в привычной среде.

Главной целью образования сегодня следует считать подготовку человека для подлинной, реальной жизни и деятельности, раскрытия его творческого потенциала, развитие его качеств и способностей к самостоятельным действиям и к самообразованию. Достижение этой цели должно опираться сегодня на новую систему опережающего и развивающего образования, на кардинальное усиление педагогической деятельности и всемерное внедрение в учебный процесс новых информационных технологий обучения, в том числе профессионально-ориентированных методов обучения.

Внедрение новых информационных технологий обучения включает в себя: деятельность по модернизации традиционного обучения, учебно-поисковую деятельность на основе проблемного обучения, игровую деятельность. На наш взгляд, возможна следующая структуризация современных профессионально-ориентированных методов обучения.

Уже обычным методическим материалом при организации учебного процесса стали демонстрационные ролики различных прикладных программ. Информация в демонстрационных роликах структурирована в виде меню, что позволяет их применять в учебном процессе для иллюстрации работы программы. Кроме этого, демонстрационные ролики могут быть использованы учащимися при самостоятельной работе, для закрепления пройденного материала.

В основе развития профессиональных навыков лежат принципы овладения глубокими теоретическими знаниями, позволяющими осмысливать различные варианты возможных решений возникающих задач. Вместе с тем, поиск оптимальных решений тесно связан с практикой, поэтому практические решения и опыт приобретают не меньшее значение.

На всех ступенях учебного процесса преподаватели стараются рационально использовать все средства и методы для формирования глубоких знаний, практических навыков и умений, чтобы на их основе готовить специалистов инженерных специальностей.

При подготовке будущих инженеров эта задача, как уже отмечалось выше, решается поэтапно в соответствии с учебными планами. Основа профессиональных знаний закладывается при изучении специальных дисциплин, и в большой степени закрепляется в процессе лабораторных занятий при изучении дисциплин информационного блока.

Процесс обучения будущих инженеров информационным технологиям ориентирован, прежде всего, на технологии, повышающие производительность труда. Студентов не просто знакомят с возможностями современных программ, их обучают новым технологиям работы: технологии создания электронных документов, анализа данных, хранения информации на устройствах внешней памяти, работы в локальной сети, создания инженерных проектов.

Умение пользоваться современной технической литературой при работе на компьютере на сегодняшний день является главным залогом успеха современного специалиста. Раздаточный материал, конспекты занятий и библиотека, которая постоянно пополняется новыми, самыми последними изданиями, в том числе электронными учебниками, - все это позволяет подготовить специалиста, способного в дальнейшем самостоятельно повышать свой профессиональный уровень.

Каждое занятие строится с использованием профессионально-ориентированных методов обучения, основанных на совместном решении задач и определении различных способов решения этих задач в зависимости от конкретных условий. Для приобретения навыков применяется система практических заданий, разработанная в ходе данного исследования и самостоятельно выполняемая студентами.

Для оценки приобретенных знаний студентами могут быть использованы тесты, реализованные в рамках программ MathCAD, AutoCAD. Тесты поддерживаются в актуальном состоянии и обновляются при выпуске новых версий программных продуктов.

Для подготовки к сдаче тестов можно использовать методическое пособие «Практикум MathCAD», разработанное автором. В пособии рассматриваются все основные вопросы, касающиеся функциональности программы и особенностей работы с объектами. Самостоятельная проработка вопросов, приведенных в пособии, позволит учащимся систематизировать и углубить свои знания, а также получить комплексное представление о функциональных возможностях и настройках программы.

Сегодняшняя система подготовки кадров заканчивается в институте, так как отсутствует время адаптации молодых специалистов на предприятии. Поэтому в вузах необходимо изучение реально работающих информационных систем, что значительно повысит уровень квалификации специалистов и востребованность их на рынке труда.

Важно, чтобы изучение программных продуктов не сводилось к изучению «кнопок». Для этого необходимо разработать как можно больше разнообразных специальных методик преподавания, основанных на получении и использовании на практике полученных знаний.

В учебных программах должна быть предусмотрена взаимосвязь между циклами дисциплин, а так же хорошо отработана преемственность дисциплин между кафедрами.

Достаточно высокий уровень информатизации образовательного процесса в ряде вузов региона, в частности, в Пятигорском государственном технологическом университете, дает возможность использования в учебном процессе новых программных продуктов. Изучение принципов создания автоматизированных информационных систем и технологий представляется актуальным для студентов специальностей 210100 «Управление и информатика в технических системах», 190600 «Инженерное дело в медико-биологической практике», 071900 «Информационные системы и технологии».

Создание автоматизированных информационных систем и технологий может осуществляться по двум вариантам. Первый вариант предполагает, что этой работой занимаются специализированные фирмы, имеющие профессиональный опыт подготовки программных продуктов конкретной ориентации, их продажи и дальнейшего сопровождения в организациях, эксплуатирующих поставленные программные средства и системы. Если АИС и АИТ создаются по второму варианту, проектированием и созданием разработок в этой области занимаются проектировщики-программисты, находящиеся в штате предприятий и организаций, где осуществляется переход на использование новых технических средств, создаются новые информационные технологии и системы.

В последнее время все большее число организаций, предприятий предпочитают покупать готовые пакеты и технологии, а если необходимо, добавлять к ним свое программное обеспечение, так как разработка собственных АИС и АИТ связана с высокими затратами и риском. Эта тенденция привела к тому, что поставщики систем изменили ранее существовавший способ выхода на рынок. Как правило, разрабатывается и предлагается базовая система, которая адаптируется в соответствии с пожеланиями индивидуальных клиентов. При этом пользователям предоставляются: консультации, помогающие минимизировать сроки внедрения систем и технологий, наиболее эффективно их использовать; возможности повышения квалификации персонала.

Автоматизированные системы проектирования - быстроразвивающийся путь ведения проектировочных работ. В области автоматизации проектирования АИС и АИТ за последнее десятилетие сформировалось новое направление - CASE (Computer-Aided Software/System Engineering). Лавинообразное расширение областей применения ПЭВМ, возрастающая сложность инфо систем, повышающиеся к ним требования привели к необходимости индустриализации технологий их создания. Важное направление в развитии технологий составили разработки интегрированных инструментальных средств, базирующихся на концепциях жизненного цикла и управления качеством АИС и АИТ, представляющих собой комплексные технологии, ориентированные на создание сложных автоматизированных систем и поддержку их полного жизненного цикла или ряда его основных этапов. Дальнейшее развитие работ в этом направлении привело к созданию ряда концептуально целостных, оснащенных высокоуровневыми средствами проектирования и реализации вариантов, доведенных по качеству и легкости тиражирования до уровня программных продуктов технологических систем, которые получили название CASE-систем или CASE-технологий. В настоящее время не существует общепринятого определения CASE. Содержание этого понятия обычно определяется перечнем задач, решаемых с помощью CASE, а также совокупностью применяемых методов и средств. CASE-технология представляет собой совокупность методов анализа, проектирования, разработки и сопровождения АИС, поддержанной комплексом взаимосвязанных средств автоматизации. CASE - это инструментарий для системных аналитиков, разработчиков и программистов, позволяющий автоматизировать процесс проектирования и разработки АС, прочно вошедший в практику создания и сопровождения АИС и АИТ. При этом CASE-системы используются не только как комплексные технологические конвейеры для производства АИС и АИТ, но и как мощный инструмент решения исследовательских и проектных задач, таких как структурный анализ предметной области, спецификация проектов средствами языков программирования четвертого поколения, выпуск проектной документации, тестирование реализации проектов, планирование и контроль разработок, моделирование деловых приложений с целью решения задач оперативного и стратегического планирования и управления ресурсами и т.п.

Основная цель CASE-технологий состоит в том, чтобы отделить проектирование АИС и АИТ от ее кодирования и последующих этапов разработки, а также максимально автоматизировать процессы разработки и функционирования систем. При использовании CASE-технологий изменяется технология ведения работ на всех этапах жизненного цикла автоматизированных систем и технологий, при этом наибольшие изменения касаются этапов анализа и проектирования. В большинстве современных CASE-систем применяются методологии структурного анализа и проектирования, основанные на наглядных диаграммных техниках, при этом для описания модели проектируемой АИС используются графы, диаграммы, таблицы и схемы. Такие методологии обеспечивают строгое и наглядное описание проектируемой системы, которое начинается с ее общего обзора и затем детализируется, приобретая иерархическую структуру со все большим числом уровней. CASE-технологий успешно применяются для построения пракгически всех типов АИС, однако устойчивое положение они занимают в области обеспечения разработки деловых и коммерческих АИС. Широкое применение CASE-технологий обусловлено массовостью этой прикладной области, в которой CASE применяются не только для разработки АИС, но и для создания моделей систем, помогающих коммерческим структурам решать производственные задачи.

С самого начала целью развития CASE-технологий было преодоление ограничений при использовании структурных методологий проектирования 1960-1970-х гг. (сложности понимания, большой трудоемкости и стоимости использования, трудности внесения изменений в проектные спецификации и т.д.) за счет их автоматизации и интеграции поддерживающих средств. Таким образом, CASE-технологий не могут считаться самостоятельными методологиями, они только развивают структурные методологии и делают более эффективным их применение за счет автоматизации. Помимо автоматизации структурных методологий и, как следствие, возможности применения современных методов системной и программной инженерии, CASE-технологий обладают следующими основными достоинствами:

- улучшают качество создаваемых АИС (АИТ) за счет средств автоматического контроля (прежде всего, контроля проекта);

- позволяют за короткое время создавать прототип будущей АИС (АИТ), что дает возможность на ранних этапах оценить ожидаемый результат;

- ускоряют процесс проектирования и разработки системы;

- освобождают разработчика от рутинной работы, позволяя ему целиком сосредоточиться на творческой части разработки;

- поддерживают развитие и сопровождение разработки АИС (АИТ);

- поддерживают технологии повторного использования компонентов разработки.

Большинство CASE-средств основано на научном подходе, получившем название «методология/метод/нотация/средство». Методология формулирует руководящие указания для оценки и выбора проекта разрабатываемой АИС, шаги работы и их последовательность, а также правила применения и назначения методов.

К настоящему моменту CASE-технология оформилась в самостоятельное наукоемкое направление, повлекшее за собой образование мощной CASE-индустрии, которая объединяет сотни фирм и компаний различной ориентации. Среди них выделяются компании-разработчики средств анализа и проектирования АИС и АИТ с широкой сетью дистрибьюторских и дилерских фирм; фирмы-разработчики специальных средств с ориентацией на узкие предметные области или на отдельные этапы жизненного цикла АИС, обучающие фирмы, которые организуют семинары и курсы подготовки специалистов; консалтинговые фирмы, оказывающие практическую помощь при использовании CASE-пакетов для разработки конкретных АИС, фирмы, специализирующиеся на выпуске периодических журналов и бюллетеней по CASE-технологиям. Практически ни один серьезный зарубежный проект АИС и АИТ не осуществляется в настоящее время без использования CASE-средств.

В проведении проектировочных работ в настоящее время встречаются две крайности. В одном случае строго соблюдаются стандарты изготовления документации, но зато сроки разработки сильно затягиваются, создание системы не вписывается в ритм реальной жизни и она оказывается нежизнеспособной.

В другом случае умение разработчиков создавать программы для автоматизации решения отдельных задач позволяет им без задержек обеспечить процесс использования разработок конечным пользователем, система начинает работать, но создание документации отстает, и в результате получается изделие, трудоемкое для эксплуатации, а освоение его в значительной степени зависит от специалистов-разработчиков. Это противоречие преодолимо при соблюдении проектной дисциплины. В процессе разработки автоматизированных систем, рабочих мест и технологий проектировщики сталкиваются с рядом взаимосвязанных проблем.

Проектировщику сложно получить исчерпывающую информацию для оценки формулируемых заказчиком (пользователем) требований к новой системе или технологии. Заказчик нередко не имеет достаточных знаний о проблемах автоматизации обработки данных в новой технической среде, чтобы судить о возможности реализации тех или иных инноваций.

В то же время проектировщик сталкивается с чрезмерным количеством подробных сведений о проблемной области, что вызывает трудности моделирования и формализованного описания реализуемых в новых условиях информационных процессов, решения функциональных задач. Спецификация проектируемой системы из-за большого объёма и технических терминов часто непонятна заказчику, а чрезмерное ее упрощение не может удовлетворить специалистов, создающих систему.

С помощью известных аналитических методов можно разрешить некоторые из перечисленных проблем, однако радикальное решение дают только современные структурные методы, среди которых центральное место занимает методология структурного анализа.

Структурным анализом принято называть метод исследования, который начинается с общего обзора и затем детализируется, приобретая иерархическую структуру со все большим числом уровней. Структурный анализ предусматривает разбиение системы на уровни - абстракции с ограниченным числом элементов на каждом из уровней (обычно от 3 до 6-7). На каждом уровне выделяются лишь существенные для системы детали. Данные рассматриваются в совокупности с операциями, выполняющимися над ними. Используются строгие формальные правила записи элементов информации, составления спецификации системы и последовательное приближение к конечному результату. Методология структурного анализа базируется на ряде общих принципов, часть из которых регламентирует организацию работ на начальных этапах жизненного цикла создаваемой информационной системы, а часть используется при выработке рекомендаций по организации работ. В качестве двух базовых принципов используются принцип декомпозиции и принцип иерархического упорядочивания.

Первый принцип предполагает решение трудных проблем структуризации комплексов функциональных задач путем разбиения их на множество меньших независимых задач, легких для понимания и решения.

Второй принцип декларирует, что устройство этих частей также существенно для понимания при детальном формализованном их описании. Понимаемость проблемы резко повышается при организации ее частей в древовидные иерархические структуры, т. е. система может быть понята и построена по уровням, каждый из которых добавляет новые детали. На пред проектной стадии проводится изучение и анализ всех особенностей объекта проектирования с целью уточнения требований заказчика, их формализованного представления и документирования. В частности, выявляется совокупность условий, при которых предполагается эксплуатировать будущую систему (аппаратные и программные ресурсы, предоставляемые системе, внешние условия ее функционирования, состав людей и работ, имеющих к ней отношение и участвующих в информационных и управленческих процессах), производится описание выполняемых системой функций и т. п. На этой же стадии устанавливаются ограничения в процессе разработки (директивные сроки завершения отдельных этапов, имеющиеся ресурсы, организационные процедуры и мероприятия, обеспечивающие защиту информации и т. п.).

Целью анализа на этой стадии является преобразование общих, неясных знаний о требованиях к будущей системе в точные (по возможности) определения. Так, на этом этапе определяются: архитектура системы, ее функции, внешние условия, распределение функций между аппаратными средствами и программным обеспечением, интерфейсы и распределение функций между человеком и системой; требования к программным и информационным компонентам системы, необходимые аппаратные ресурсы, требования к базе данных, физические характеристики компонентов системы, их интерфейсы. Качество дальнейшего проектирования решающим образом зависит от правильного выбора методов анализа, сформулированных требований к вновь создаваемой технологии. Эти методы служат для проведения изучения и исследования, разработки и оценки проектных решений, закладываемых при создании АС, а также для обеспечения экономии затрат и сокращения сроков проектирования и внедрения системы

Методы, используемые на стадии пред проектного обследования, подразделяются на методы изучения и анализа фактического состояния объекта (технологии), методы формирования заданного состояния, методы графического представления фактического и заданного состояний. Рассмотрим эти методы более подробно.

Методы изучения и анализа фактического состояния объекта или технологии позволяют выявить узкие места в исследуемых процессах и включают:

- устный или письменный опрос;

- письменное анкетирование;

- наблюдение, измерение и оценку;

- групповое обсуждение;

- анализ задач;

- анализ процесса.

Устный и письменный опрос производится по заранее составленному вопроснику на рабочем месте специалиста с записью ответов и позволяет в форме несложной беседы понять технологию работы и опыт опрашиваемого. Затруднения психологического порядка легко преодолеваются и можно приступить к подготовке нового решения уже на стадии анализа. Недостатком этого метода является разнородность результатов опроса.

Письменное анкетирование с помощью перечня вопросов дает (при условии готовности опрашиваемых к правдивым ответам) полную и основательную информацию. При достаточно большом количестве анкет практикуется их обработка на ЭВМ. Чтобы повысить качество анкетирования, целесообразно ввести подсказку ответов «да - нет», «малый - средний - большой» и т. д. Существенное влияние на качество результатов оказывают четкость, недвусмысленность вопросов, поэтому разработка перечня вопросов предполагает знание принципиальной проблемной ситуации.

Наблюдение, измерение и оценка. С помощью этих методов собираются сведения о параметрах, признаках и объектах в соответствующей сфере исследования. Важные для изучения параметры, признаки и объекты точно оцениваются сотрудниками и регистрируются в карточках или в формулярах (например, по частоте, количеству, продолжительности, затратам). Накопление сведений и анализ результатов при достаточно большом количестве наблюдений выполняется на ЭВМ.

Групповое обсуждение проводится проектировщиками, программистами совместно с пользователями или заказчиками с целью обобщения и обсуждения всех важных для решения проблем, вопросов и определения необходимых задач.

Анализ задач. Суть этого метода состоит в вертикальной и горизонтальной структуризации задач и их распределении между исполнителями (должностными инструкциями) на основе заданной структуры объекта. Задачи расчленяются до такой степени, чтобы имелась возможность определить результаты, решения, полномочия, алгоритмы, входную и выходную информацию. Анализ задач - это первый этап и предпосылка описания задач, которые являются основой для построения технологии получения результатов, разработки должностных инструкций и планов распределения функций при работе в новых технологических условиях. Отправным пунктом анализа служат требования к объекту и его информационной системе.

Анализ производственных и информационных процессов используется для подготовки решений, касающихся реорганизации технологии информационных процессов. С помощью анализа процесса решения задач разрабатываются необходимые изменения, которые должны быть внесены в информационную технологию. Одновременно уточняются целевые установки решаемых задач. Он должен охватывать в первую очередь следующее: обследуемый объект; цель и результат решения поставленных задач, составляющие технологического процесса - решения, операции и алгоритмы, объем и качество информации, средства обработки информации, требования к персоналу и рабочему месту, методы работы, узкие места, помехи, трудности, требования рациональной организации техпроцесса.

В целом методы изучения и анализа фактического состояния производственной деятельности и существующей технологии решения задач предназначены для установления и оценки процессов, функций, предъявляемых к работникам требований, последовательности выполнения технологических операций и средств труда, продолжительности и сроков выполнения работ, потоков информации. Они способствуют сбору необходимых материалов и формированию необходимой исходной основы для проектирования АИС и АИТ.

Методы формирования заданного состояния основываются на теоретическом обосновании всех составных частей и элементов АИС исходя из целей, требований и условий заказчика. К данным методам, представляющим собой рабочие средства проектировщиков, относятся методы:

- моделирование производственного процесса;

- структурное проектирование,

- декомпозиция;

- анализ информационного процесса.

Метод моделирования производственного процесса. В процессе изучения объекта проектирования строятся экономико-организационные и информационно-логические модели, которые включают задачи, структуры и ресурсы объекта. Они отражают хозяйственные и производственные отношения, а также связанные с ними информационные потоки. Представляя комбинацию материальных и информационных процессов, способствуют повышению уровня организации объекта. Информационно-логические модели содержат необходимые сведения об информационных связях между органами и сферами управления, комплексами решаемых задач и отдельными задачами в единстве с хозяйственными процессами.

Метод структурного (модульного) проектирования позволяет разработать проект четко разграниченных блоков (модулей), между которыми устанавливаются связи посредством входной и выходной информации, а также показывается иерархия их подчиненности. Условиями применения этого метода являются разбиение крупных комплексов задач на под комплексы и точное обозначение (идентификацию) всех звеньев разъединения и сопряжения. Он позволяет разделить весь комплекс задач на обозримые и поддающиеся анализу под комплексы (модули).

Метод декомпозиции модулей предусматривает дальнейшее разбиение под комплексов задач на отдельные задачи, показатели. Подход к разбиению всей совокупности задач по принципу «сверху вниз» особенно удобен для разработки принципиальных организационно-технических решений, внесения' в них при необходимости изменений, а также увязки при проектировании хозяйственных и организационно-производственных целевых установок с конкретными задачами и показателями.

Анализ и моделирование информационных процессов предназначен для выявления и представления в каждом случае взаимосвязи между результатом, процессом обработки и вводом данных. Он используется также для анализа и формирования информационных связей между рабочими местами работников управления, специалистов, технического персонала и информационными технологиями. С этой целью описываются входная и выходная информация, а также алгоритм обработки информации применительно к каждому рабочему месту. Путем обнаружения и последовательного соединения многочисленных цепочек обработки и передачи данных формируются сложные информационные процессы и осуществляется учет потребности в информации отдельных пользователей.

Методы графического представления фактического и заданного состояний предусматривают использование для наглядного представления процессов обработки информации в форме блок-схем, графиков прохождения документов и т д. Графические методы являются составной частью любого проекта и необходимы для практической работы, поскольку выполняют роль вспомогательного средства при описании внедрения новых технологий. К наиболее известным из них относятся блок-схемный метод, методы стрелочных диаграмм, сетевых графиков, таблиц последовательности операций прохождения процессов.

Различия методов выражаются в степени их реализации на ПЭВМ, наглядности, глубине отражаемых процессов. Если на пред проектной стадии должны быть тщательно проанализированы особенности объекта проектирования, четко сформулированы в техническом задании требования к созданию АИС и АИТ, то проектирование должно дать ответ на вопрос. «Как (каким образом) система будет удовлетворять предъявленным к ней требованиям?». Задачей этой стадии является формирование новой структуры системы и логических взаимосвязей се элементов, которые будут функционировать на предложенной технологической платформе.

Проектирование реализует итерационный процесс получения логической модели системы вместе со строго сформулированными целями, поставленными перед нею, а также написание спецификаций физической системы, удовлетворяющей этим требованиям. Обычно стадию проектирования разделяют на два этапа.

- Создание проектных решений, проектирование архитектуры АИС, включающее разработку структуры и интерфейсов компонентов, согласование функций и технических требований к компонентам, методам и стандартам проектирования, производство отчетных документов.

- Детальное (рабочее) проектирование, включающее разработку спецификаций каждого компонента и, прежде всего, создание или привязку программных средств, интерфейсов между компонентами, разработку плана интеграции компонентов, формирование обширных инструкционных материалов. В результате проведения этапов проектирования должен быть получен проект системы, содержащий достаточно информации для реализации системы в рамках бюджета выделенных ресурсов и времени. При разработке проекта АИС и АИТ обеспечиваются разделение труда, кооперация и общение между разработчиками и заказчиками. По мере повышения уровня проектирования неоднократно повышается ответственность за принятие проектных решений.

Для обеспечения качественного выполнения проекта этапы разработки системы увязываются с процессом организации ведения проектировочных работ, который включает следующее: разработку целей, задач и организационных принципов при постановке задачи, формирование принципиального проектного решения при выработке концепции проекта и варианта АИС и АИТ; материально-техническая реализация проектировочных работ при подготовке и отладке программ, апробация организационных решений при опытной эксплуатации и сдаче проекта АИС и АИТ; использование проектных и организационных решений при эксплуатации АИС и АИТ. Этапы процесса организации и ведения проектировочных работ отражают принципиальный путь разработки и реализации новых проектных решений.

Эта типовая концепция пригодна для организации проектирования с различными формами использования средств труда, включая применение ПЭВМ и автоматизацию проектирования. При этом не учитывается характер проблем, подлежащих решению в конкретном случае. На основе типовой концепции организации проектирования каждый этап может быть уточнен в зависимости от повторяющихся рабочих операций. Затем для каждого проекта АИС и АИТ выбираются подлежащие выполнению работы и сводятся в календарный план. В зависимости от характера и сложности решаемых проблем может возникнуть необходимость многократного выполнения определенных этапов. В рамках рабочих этапов предусматривается закрепление за отдельными исполнителями ответственности за разработку задач, стадий проекта и программ.

В процессе организации проектирования принимаются разнообразные решения, влияющие на динамику и качество выполнения работ. Поэтому для каждого этапа проектирования определяются: ожидаемые результаты и документы; персональные функции руководителя; решения, принимаемые руководителем; функции заказчика и разработчика АИС и АИТ. Согласования с параллельно выполняемыми во времени работами при выборе, обучении, высвобождении и перемещении кадров, а также при подготовке и реализации инвестиционных мероприятий и других работ обязательно включаются в содержание рабочих этапов и находят отражение в проектной и исполнительной документации. Исполнительная документация относится к отдельным процессам, сферам и разрабатывается в рамках всей проектируемой АИТ. В состав документации входят: организационные инструкции рабочих процессов, программы для рабочих мест, инструкции по оформлению документов, рекомендации по использованию информации, методов, таблиц решений и т. д.

Охарактеризовав содержание проектировочных работ при создании АИС и АИТ, нельзя не остановиться на наиболее распространенных в: настоящее время методах ведения проектировочных работ. В современных условиях АИС, АИТ и АРМ, как правило, не создаются на пустом месте.

На сегодняшний день практически на всех уровнях производства и на большинстве предприятий функционируют системы автоматизированной обработки информации. Однако, переход к рыночным отношениям, возросшая в связи с этим потребность в своевременной, качественной, оперативной информации и оценки ее как важнейшего ресурса в производственных процессах, а также последние достижения научно-технического прогресса вызывают необходимость перестройки функционирующих автоматизированных информационных систем, создания АИС и АИТ на новой технической и технологической базах. Только новые технические и технологические условия - современные АИТ - позволят реализовать столь необходимый в рыночных условиях принципиально новый подход к организации производственной деятельности объекта, как деятельности инженерной, получившей название «реинжиниринг». Термин «реинжиниринг» был введен М. Хаммером; он предусматривает радикальное перепроектирование деловых процессов (бизнес-процессов) для достижения резких, скачкообразных улучшений показателей стоимости, качества, сервиса, темпов развития фирм, компаний, предприятий, организаций на базе АИТ.

Реинжиниринг прежде всего предусматривает перестройку производственной деятельности объекта на базе новой информационной технологии. В то же время реинжинирингу подвергаются АИС и АИТ, их техническое, программное, информационное обеспечение, перепроектирование которых ведется на основе вновь создаваемой абстрактной модели пересматриваемой исходной системы. Поиск рациональных путей проектирования ведется по следующим направлениям: разработка типовых проектных решений, зафиксированных в пакетах прикладных программ (ППП), решения производственных задач с последующей привязкой ППП к конкретным условиям внедрения и функционирования, разработка автоматизированных систем проектирования.

Один из путей - использование типовых проектных решений, включенных в пакеты прикладных программ.

АИС создается для удовлетворения информационных потребностей конкретного пользователя, и он принимает непосредственное участие в ее работе. Под функционированием АИС в данном случае подразумевается решение задач пользователем на основе информационного, программного обеспечения, которые созданы проектировщиками и другими специалистами на этапах проектирования и подготовки процесса автоматизации обработки информации. Первые разработки АС не содержали принципиально новой методологии, а лишь использовали дорогостоящую вычислительную технику в качестве большого арифмометра для сокращения трудоемкости выполнения операций в традиционной технологии решения задач управления.

Недостатком, причем весьма распространенным, при создании автоматизированных систем был низкий уровень постановки задач. Одна из причин этого - в недостаточном использовании специалистов отделов, служб управления в обследовании потоков информации, описании экономико-организационной сущности задач, проектировании выходной информации. Кроме того участие пользователя в создании АИС и АИТ должно обеспечивать в перспективе как оперативное и качественное решение задач, так и сокращение времени на внедрение новых технологий, при этом происходит активное обучение пользователя, повышается уровень его квалификации как постановщика, разработчика. Все необходимые потребителю навыки работы в новой технологической среде совершенствуются и закрепляются в процессе опытной эксплуатации АИС и последующей работы.

Однако для этого пользователь должен быть заранее ознакомлен с методикой проведения обследования объекта, порядком обобщения его результатов, что ему поможет определить и выделить подлежащие автоматизированной обработке задачи, функции, квалифицированно сделать их постановку. Постановка задачи - это описание задачи по определенным правилам, которое дает исчерпывающее представление о ее сущности, логике преобразования информации для получения результата. На основе постановки задачи программист должен представить логику ее решения и рекомендовать стандартные программные средства, пригодные для ее реализации. Через постановку задачи, путем регламентации изложения ее содержания, устраняются трудности взаимодействия «пользователь - прикладной программист», что делает это взаимодействие более логичным и системным. Постановка задачи ведется на стадии проектирования компьютерных информационных систем.

Для постановки задачи используются сведения, необходимые и достаточные для полного представления ее логической и информационной сущности. Такими сведениями располагает инженер, осуществляющий решение задачи в условиях ручной обработки или с использованием компьютерной техники. При постановке задач пользователь, прежде всего, должен описать информационное обеспечение, алгоритмы их решения Постановка задачи требует от пользователя не только профессиональных знаний той предметной области, для которой делается постановка, но и знаний компьютерных информационных технологий. Ошибки пользователя на этапе постановки задачи увеличиваются в сотни и даже в тысячи раз по своим последствиям (в зависимости от масштаба системы), если их обнаружат на конечных фазах создания или использования прикладного программного продукта. Причина заключается в том, что каждый из последующих участников создания прикладных программ не располагает информацией, необходимой для исправления содержательных ошибок.

Создание программного продукта может вестись и самим пользователем, причем это более предпочтительный вариант в отношении простоты построения программы. Однако, с точки зрения профессиональных программистов, в таких программах может быть большое число погрешностей, так как они менее эффективны по машинным ресурсам, быстродействию и многим другим традиционным критериям.

Пользователь, как правило, приобретает и применяет готовые программные пакеты, по своим функциям удовлетворяющие его потребности, ориентированные на определенные виды деятельности.

Такое направление является на сегодня ведущим в сфере компьютеризации и информатизации обслуживания пользователей. Нередко оно дополняется разработкой оригинальных прикладных программ. Однако, в любом случае, постановка задачи требуется. Постановка и реализация задач на ПЭВМ требует усвоения основных понятий, касающихся теоретических основ компьютерных информационных систем. К ним относятся:

- свойства, особенности и структура информации;

- условно-постоянная информация, ее роль и назначение;

- носители информации, макет машинного носителя;

- средства формализованного описания информации;

- алгоритм, его свойства и формы представления;

- назначение контроля входной и результатной информации;

- состав и назначение устройств персональных ЭВМ;

- состав программных средств персональных ЭВМ.

При описании постановки задачи обращается внимание на ее объемно-временные характеристики. Они отражают объемы входной и выходной информации (количество документов, строк, знаков, обрабатываемых в единицу времени), временные особенности поступления, обработки и выдачи информации. В процессе описания постановки задачи важной является выверка точности и полноты названий всех информационных единиц и их совокупностей. В условиях автоматизированной обработки, кроме привычных для восприятия наименований показателей в документах (наименования строк и граф), имеют место нетрадиционные формы представления информации.

Четкость наименований информационных совокупностей и их идентификации, устранение синонимов и омонимов в названиях показателей обеспечивают более высокое качество результатов обработки. Полное название показателя в сложных формах может складываться из названий строк, граф и элементов заголовочной части документа. Для количественных и стоимостных реквизитов указывается единица измерения. Описание показателей и реквизитов какого-либо документа требует, как правило, их соотнесения с местом и временем отражаемых производственных процессов. Поэтому пользователь должен помнить о необходимости включения в описания соответствующих сведений, имеющих место, как правило, в заголовочной части документа (название или код предприятия, дата выписки документа и т. д.). Для каждого вида входной и выходной информации дается описание всех элементов информации, участвующих в автоматизированной обработке. Описание строится в виде таблицы, в которой присутствуют: наименование элемента информации (реквизита), его идентификатор и максимальная разрядность. Наименование реквизита должно соответствовать документу или вытекать из него. Не допускаются даже мелкие погрешности в наименованиях реквизитов, так как в принятой редакции закладывается словарь информационных структур будущей автоматизированной технологии обработки.

Идентификатор представляет собой условное обозначение, с помощью которого можно оперировать значением реквизита. Идентификатор может строиться по мнемоническому принципу, использоваться для записи алгоритма и представлять собой сокращенное обозначение полного наименования реквизита. Идентификатор должен начинаться только с алфавитных символов, хотя может включать и алфавитно-цифровые символы, общее их количество обычно регламентировано. Разрядность реквизита необходима для просчета объема занимаемой памяти. Она указывается количеством знаков (алфавитных, цифровых и алфавитно-цифровых). Постановка задачи выполняется в соответствии с планом.

- наименование задачи, место ее решения;

- цель решения;

- назначение (для каких объектов подразделений и пользователей предназначена);

- периодичность решения и требования к срокам решения;

- источники и способы поступления данных;

- потребители результатной информации и способы ее отправки;

- информационная связь с другими задачами.

- перечень исходной информации;

- формы представления (документ) по каждой позиции перечня; примеры заполнения документов;

- количество документов (информации) в единицу времени, количество строк в документе (массиве);

- описание структурных единиц информации (каждого элемента данных, реквизита);

- точное и полное наименование, идентификатор, максимальная разрядность в знаках;

- способы контроля исходных данных;

- контроль разрядности реквизита;

- контроль интервала значений реквизита;

- контроль соответствия списку значений;

- балансовый или расчетный метод контроля количественных значений реквизитов;

- метод контроля с помощью контрольных сумм и любые другие возможные способы контроля.

- перечень результатной информации;

- формы представления (печатная сводка, видеограмма, машинный носитель и его макет и т.д.);

- периодичность и сроки представления;

- количество документов (информации) в единицу времени, количество строк в документе (массиве);

- перечень пользователей результатной информацией (подразделение и персонал);

- перечень регламентной и запросной информации;

- описание структурных единиц информации (каждого элемента данных, реквизита) по аналогии с исходными данными;

- способы контроля результатной информации;

- контроль разрядности;

- контроль интервала значений реквизита;

- контроль соответствия списку значений;

- балансовый или расчетный метод контроля отдельных показателей;

- метод контроля с помощью контрольных сумм и любые другие возможные способы контроля.

- описание способов формирования результатной информации с указанием последовательности выполнения логических и арифметических действий;

- описание связей между частями, операциями, формулами алгоритма;

- требования к порядку расположения (сортировке) ключевых (главных) признаков в выходных документах, видео граммах, например по возрастанию значений табельных номеров;

- алгоритм должен учитывать общий и все частные случаи решения ' задачи.

При описании алгоритма следует использовать условные обозначения (идентификаторы) реквизитов, присвоенные при описании исходной и результатной информации, допускается текстовое описание алгоритма Необходимо предусмотреть контроль вычислений на отдельных этапах, операциях выполнения алгоритма. При этом указываются контрольные соотношения, которые позволяют выявить ошибки.

Описание используемой условно-постоянной информации:

- перечень условно-постоянной информации (классификаторов, справочников, таблиц, списков с указанием их полных наименований);

- формы представления;

- описание структурных единиц информации (по аналогии с исходными записями);

- способы взаимодействия с переменной информацией.

Внедрение АИС и АИТ, как показывает опыт, ведет к качественным переменам в труде инженеров: расширяются их профессиональные знания, приобретаются навыки работы в автоматизированной информационной сфере. Новая информационная технология может иметь ряд позитивных последствий: обработка исходных данных и проведение расчетов поручается не имеющим высокой квалификации и необходимых практических навыков работникам, а высококвалифицированным специалистам отводится анализ, выбор вариантов расчетов, разработка производственных решений.

Работа с ПЭВМ приводит к повышению квалификации всех исполнителей и общему, довольно высокому уровню их профессиональной культуры. Сэкономленное в результате автоматизации обработки расчетов и оформления документов время используется на проведение расчетов в нескольких вариантах, получение альтернативных оценок ситуаций, что необходимо для анализа и принятия обоснованных решений.

Было бы неправильно предполагать, что высвобожденное время (за счет работы на компьютере) должно вести к сокращению численности специалистов, так как проведение расчетов является лишь частью основной задачи - принятия необходимого решения. При сокращении времени на проведение расчетов время на анализ и принятие решений увеличивается.

Таким образом, создание АИС и АИТ, использование CASE-технологий не столько приводит к высвобождению специалистов, сколько выдвигает к ним новые требования, т. е. позволяет качественно изменить их труд. Наиболее важным требованием к специалистам является умение осуществить постановку задач, т. е. составить алгоритмы их решения, установить состав информационного наполнения вычислительных процедур для получения искомых результатов, сформулировать требования к методам контроля решаемых задач.

Широкую известность и заслуженную популярность еще в середине 80-х годов приобрели интегрированные системы для автоматизации математических расчетов класса MathCAD, разработанные фирмой MathSoft (США). По сей день они остаются единственными математическими системами, в которых описание решения математических задач дается с помощью привычных математических формул и знаков. Такой же вид имеют и результаты вычислений. Так что системы MathCAD вполне оправдывают аббревиатуру CAD (Computer Aided Design), говорящую о принадлежности к наиболее сложным и продвинутым системам автоматического проектирования - САПР. Можно сказать, что MathCAD - своего рода САПР, CASE-технология в математике.

MathCAD является одной из самых мощных и эффективных математических систем. Она существует в двух вариантах: стандартном MathCAD 7.0 Standard и профессиональном MathCAD 7.0 Professional Edition (PRO). Стандартная версия ориентирована на большинство пользователей, а профессиональная - на профессионалов, серьезно занимающихся математическими расчетами.

Будущие инженеры не должны бояться сложной математики 7 и новых методов использующих современные ИТ, особенно с применением программного обеспечения реализующего современный математический аппарат. Хорошее, близкое к требованиям математических факультетов университетов, владение аппаратом математического моделирования - стандарт западного образования. По мере становления в нашей стране рыночной экономики ситуация начала меняться. Стало очевидным, что бизнес будет платить и уже во многих случаях платит за обоснованные расчетами инженерные проекты.

Миллионы людей занимаются математическими расчетами, иногда в силу влечения к таинствам математики и ее внутренней красоте, а чаще в силу профессиональной или иной необходимости, не говоря уже об учебе. Ни одна серьезная разработка в любой отрасли науки и производства не обходится без трудоемких математических расчетов.

Вначале эти расчеты выполнялись на программируемых микрокалькуляторах или с помощью программ на универсальных языках программирования, таких, как Бейсик или Паскаль. Постепенно для облегчения расчетов были созданы специальные математические компьютерные системы.

Системы MathCAD традиционно занимают особое место среди множества таких систем (Eureka, Mercury, MatLAB, Mathematica 2 и 3, Maple V R3 и R4 и др.) и по праву могут называться самыми современными, универсальными и массовыми математическими системами. Они позволяют выполнять как численные, так и аналитические (символьные) вычисления, имеют чрезвычайно удобный математико-ориентированный интерфейс и прекрасные средства графики. Системы, начиная с версии 3.9, работают под управлением графических операционных систем Windows 3.1/3.11, а версия MathCAD 7.0 -под Windows NT. Системы класса MathCAD предоставляют уже привычные, мощные, удобные и наглядные средства описания алгоритмов решения математических задач.

Преподаватели и студенты вузов получили возможность подготовки с их помощью наглядных и красочных обучающих программ в виде электронных книг с действующими в реальном времени примерами. Система MathCAD PLUS 7.0 PRO настолько гибка и универсальна, что может оказать неоценимую помощь в решении математических задач как школьнику, постигающему азы математики, так и академику, работавшему со сложнейшими научными проблемами. Система имеет достаточные возможности для выполнения наиболее массовых символьных (аналитических) вычислений и преобразований.

Более 600 ООО только зарегистрированных пользователей владеют ранними версиями системы MathCAD во всем мире, а с выходом новых версии системы это число наверняка заметно увеличится. Ну а незарегистрированных пользователей, пожалуй, еще больше. О системе с такой вычислительной мощью, как у MathCAD 6.0/7.0 PRO, еще пару десятков лет назад не могли мечтать даже разработчики уникальной научной и космической аппаратуры. Но эта мощь нисколько не затрудняет удивительно простое и интуитивно предсказуемое общение с системой на общепринятом языке математических формул и графиков.

Исключительно велика роль систем класса MathCAD в образовании. Облегчая решение сложных математических задач, система снимает психологический барьер при изучении математики, делая его интересным и достаточно простым. Грамотное применение систем в учебном процессе обеспечивает повышение фундаментальности математического и технического образования, содействует подлинной интеграции процесса образования в нашей стране и наиболее развитых западных странах, где подобные системы применяются уже давно. Новые версии MathCAD позволяют готовить электронные уроки и книги с использованием новейших средств мультимедиа, включая гипертекстовые и гипермедиа-ссылки, изысканные графики (в том числе анимационные), фрагменты видеофильмов и звуковое сопровождение.

Шестая версия системы MathCAD русифицирована и получила широкое распространение в нашей стране, тогда как версия системы MathCAD 7.0 PRO пока существует только в англоязычном варианте, что, однако, вовсе не мешает готовить с ее помощью документы на русском языке.

В настоящее время существует острый дефицит в литературе по системам класса MathCAD. А по версии MathCAD 7.0 PRO, появившейся в середине 1997 г., книг у нас вообще не издавалось, хотя она резко отличается от предшествующей версии 6.0 [6, 14.

На наш взгляд, в курсы стандартных дисциплин инженерно-информационного блока необходимо включать новые материалы об интерфейсе пользователя системы, новых возможностях символьной математики, описания центра информационных ресурсов MathCAD 7.0 PRO, системного интегратора MathConnex, языка его программирования Connex Script и др.

Различие в пользовательском интерфейсе новой и прежних версий настолько велико, что обучение работе со старыми версиями едва ли целесообразно. Однако на уровне описания документов и примеров применения новая версия MathCAD мало чем отличается от старой (MathCAD 6.0).

Вскоре после окончания второй мировой войны потребность в автоматизации математических расчетов привела к созданию компьютеров (computer - в буквальном переводе «счетная машина»). Но широкого применения первые поколения таких машин на электронных лампах не получили. Они были дороги и громоздки, а потому доступны лишь специалистам.

С развитием микроэлектроники появились специализированные, предназначенные для математических расчетов миниатюрные компьютеры личного пользования - программируемые калькуляторы. Они широко применяются и сейчас. Однако в последние годы массовое распространение получили куда более мощные, быстрые и универсальные персональные компьютеры (ПК), имеющие превосходные графические возможности и используемые практически во всех сферах науки, производства, бизнеса и образования.

Одной из основных областей применения ПК и поныне являются математические и научно-технические расчеты. Бесспорным лидером среди массовых ПК стали IBM-совместимые ПК Pentium ММХ, Pentium Pro, Pentium II-IV, называемые так по типу используемых в них микропроцессоров. На них и ориентированы современные математические системы.

Само по себе появление компьютеров не упрощало математические расчеты, а лишь позволяло резко повысить скорость их выполнения и сложность решаемых задач. Пользователям ПК, прежде чем начинать такие расчеты, нужно было изучать сами компьютеры, языки программирования и довольно сложные методы вычислений, применять и подстраивать под свои цели программы для решения расчетных задач на языках Бейсик или Паскаль. Поневоле ученому и инженеру, физику, химику и математику приходилось становиться программистом, к сожалению, порою довольно посредственным. Необходимость в этом отпала лишь после появления интегрированных математических программных систем для научно-технических расчетов: Eureka, PC MatLAB, MathCAD, Maple V, Mathematica 2 или 3 и др. Большое число подобных разработок свидетельствует о значительном интересе к ним во всем мире и бурном развитии компьютерных математических систем.

С момента своего появления системы класса MathCAD имели удобный пользовательский интерфейс - совокупность средств общения с пользователем в виде масштабируемых и перемещаемых окон, клавиш и иных элементов. У этой системы есть и эффективные средства типовой научной графики, они просты в применении и интуитивно понятны. Словом, системы MathCAD ориентированы на массового пользователя - от ученика начальных классов до академика, а для будущего инженера особенно актуальны MathCAD - математически ориентированные универсальные системы. Помимо собственно вычислений они позволяют с блеском решать задачи, которые с трудом поддаются популярным текстовым редакторам или электронным таблицам. С их помощью можно не только качественно подготовить тексты статей, книг, диссертаций, научных отчетов, дипломных и курсовых проектов, они, кроме того, облегчают набор самых сложных математических формул и дают возможность представления результатов, в изысканном графическом виде.

В последнее время особый интерес проявляется к системам компьютерной алгебры, способным выполнять не только числовые, но и аналитические вычисления.

В 80-е годы школа советского академика В. М. Глушкова внесла большой вклад в разработку таких программных систем (язык Аналитик) и в создание инженерных мини-ЭВМ, аппаратно реализующих аналитические вычисления (серия «Мир»). К сожалению, эти ЭВМ были вытеснены вначале машинами класса ЕС-ЭВМ, а затем и персональными компьютерами, и теперь мы наблюдаем развитие нового поколения зарубежных систем компьютерной алгебры, ориентированных на современные массовые ПК.

Однако прошло много лет, прежде чем серьезные системы символьной математики (компьютерной алгебры) появились на массовых IBM-совместимых ПК. К ним и относится новое поколение систем MathCAD под Windows и ряд других математических систем, таких, как Derive, Maple V и Mathematica 2 и 3. Применение их облегчает самые сложные математические, статистические и финансово-экономические расчеты, для проведения которых раньше приходилось привлекать научную элиту - математиков-аналитиков. Пользователи, работающие с математическими программами, особенно в области символьной математики, в недалеком прошлом не были избалованы удобными и красивыми интерфейсами этих программ. Все внимание было уделено математической корректности программ и богатству их функциональных возможностей. Многие известные математические программы для ПК класса IBM PC - от некогда популярного языка символьных вычислений Reduce до мощной, быстрой и легко развиваемой системы MatLAB под MS-DOS - имели примитивный интерфейс, заимствованный из опыта начинающих программистов и любителей «дедушки» Бейсика, в новых версиях почитаемого и поныне. А системы с более современным (в конце 80-х годов) многооконным интерфейсом, например, Eureka фирмы Borland, серьезному математику казались примитивными.

За рубежом каждой системе символьной математики уже посвящены десятки книг.

Отличительной чертой интегрированных математических систем MathCAD является подготовка документов, которые объединяют задание исходных данных, математическое описание их обработки и результаты вычислений (в виде числовых данных, таблиц и графиков). Вид документа в MathCAD почти ничем не отличается от вида научной статьи. Удачно решена в MathCAD проблема передачи изменений числовых данных в формулах по всей цепочке вычислений.

В начале 90-х годов произошло давно ожидаемое событие: серьезная математика «в лице» интегрированной системы MathCAD 3. 0 прорвалась в окна системы Windows. Триумфальное шествие последней началось с того, что корпорация Microsoft наводнила рынок графических операционных систем своей многооконной и многозадачной системой Windows 3. 0/3. 1 с ее прекрасной графикой и удобным пользовательским интерфейсом. После этого почти все фирмы - разработчики программных средств наперегонки бросились дорабатывать свои программы под Windows.

Ко времени выпуска MathCAD 3. 0 под Windows далеко не каждый наш пользователь имел под рукой ПК класса 386 или 486 с установленной на нем операционной системой Windows. Однако обзор западной литературы по информатике и тенденций развития вычислительной техники убедительно показывал, что система Windows стремительно выдвинулась на роль лидера среди современных операционных систем для персональных компьютеров. Большинство серьезных программных продуктов было переработано под Windows 3.1/3.11, а сейчас уже под операционную систему Windows NT.

В России ситуация также изменилась. Новое поколение ПК - это машины серии Pentium. Стоимость их постоянно снижается, и ПК этого класса стали доступными не только для организаций, но и для домашних пользователей. Их производительность в сотни раз превышает производительность первых ПК IBM PC. Именно на машины этого класса и ориентированы версии MathCAD 7. О и PLUS 7. О PRO.

Все это создает предпосылки к массовому переходу на старшие версии системы MathCAD под Windows. Тем более, что пользователи, работающие с системой MathCAD под MS-DOS, всегда ощущали определенный дискомфорт из-за присущих ей принципиальных пороков, унаследованных от операционной системы MS-DOS. К примеру, при альтернативной кодировке символов знакогенераторов дисплея и принтера пропадала большая часть греческих букв, широко используемых в математических формулах. Много недоразумений возникало при печати документов на принтерах, искажались некоторые математические спецзнаки, нарушались форматы таблиц и т. д. Качество печати также оставляло желать лучшего. Шрифты не имели сменных наборов стилей, их размеры были фиксированными.

Не только профессионалы-аналитики, но и просто любители и почитатели математики быстро теряли интерес к системе, как только возникала необходимость в выполнении даже простейших символьных вычислений, нужных для этого средств версии системы MathCAD под MS-DOS были попросту лишены. Да и набор математических формул (не говоря уже об их поиске в справочных книгах) был занятием далеко не самым легким и приятным, поскольку требовал знания десятков комбинаций различных клавиш.

Опыт работы с системой MathCAD под Windows позволяет сделать вывод, что студенты, аспиранты, инженеры и ученые получили превосходный инструмент для повседневной работы. Для написания научной статьи, диссертации или создания какого-либо проекта они могут обойтись системой MathCAD под Windows и встроенными в Windows средствами.

К средствам новых версий MathCAD относятся настройка под любой известный тип печатающего устройства, богатый набор шрифтов, возможность использования всех инструментов Windows, прекрасная графика и современный многооконный интерфейс. А в версию MathCAD 7. О PRO включены эффективные средства цветового оформления документов, создания анимационных (движущихся) графиков и звукового сопровождения. Тут же текстовый, формульный и графический редакторы, объединенные с мощным вычислительным потенциалом. Предусмотрена и возможность объединения с другими мощными математическими и графическими системами для решения особо сложных задач. Отсюда и название таких систем - интегрированные системы.

Математики, физики и ученые из других, смежных отраслей науки давно мечтали о математически ориентированном языке программирования для записи алгоритмов решения математических и научно-технических задач в наиболее удобной, компактной и доступной для понимания форме. Для этого они пытались приспособить различные языки программирования высокого уровня - Фортран, Алгол, Бейсик, Паскаль и др. Но их попытки так и не увенчались успехом: программы на этих языках, увы, ничем не напоминали привычные математические и физические символы и формулы с которыми все привыкли работать и с помощью которых описываются решения математических задач.

Выпустив за какие-то три года целую серию систем MathCAD, ориентированных под Windows и имеющих некоторые средства для выполнения символьных операций компьютерной алгебры, фирма MathSoft наглядно показала свое несомненное лидерство в быстрой разработке популярных математических систем. Этому способствовало привлечение к разработкам систем MathCAD известной компании Waterloo Maple Software - создательницы одной из самых мощных и интеллектуальных систем компьютерной алгебры Maple V.

Совсем недавно лидером среди систем компьютерной алгебры признавалась система Mathematica 2 фирмы Wolfram. Но сегодня уже наступает упомянутая система Maple V R3 с реализацией под Windows. Появилась и новая версия этих систем - Maple V R4. Впрочем, уже есть и новая мощная версия системы Mathematica 3. Однако все эти системы имеют явный избыток средств символьной математики, что удобно для математиков высшей квалификации, но отнюдь не для массового пользователя.

Роль главной математической системы для большинства пользователей по-прежнему осталась за MathCAD. Системы этого класса отличает простота, удобный пользовательский интерфейс и тщательно продуманные, отобранные и ориентированные на нужды большинства пользователей математические возможности. К тому же системы ориентированы на ПК разных классов с различными аппаратными ресурсами.

Оставаясь по-прежнему мощной системой для численных расчетов, MathCAD, начиная с версии 3. О, приобрела возможности выполнения некоторых символьных операций, т. е. стала системой компьютерной алгебры. Для этого по лицензии фирмы Maple в систему MathCAD было введено несколько урезанное ядро символьных операций от системы Maple V. Число таких операций, доступных пользователю из меню, тщательно оптимизировалось и было ограничено тем разумным минимумом, который необходим массовому пользователю. Тем не менее, символьные возможности систем расширялись от версии к версии; наиболее полно они представлены в версии MathCAD 7. О PRO.

Начиная с версии 4.О система MathCAD стала 32-разрядной. Это означает, что для ее работы задействованы самые быстрые и эффективные команды современных микропроцессоров, прежде всего класса Pentium и Pentium Pro. В результате, несмотря на заметное увеличение математических возможностей и улучшение пользовательского интерфейса, скорость работы системы не только не уменьшилась, но и заметно возросла.

Объективности ради надо отметить, что мультимедийные команды новых процессоров класса ММХ в MathCAD 7. О PRO пока не задействованы, так что применение в ПК процессоров этого класса дает лишь незначительный выигрыш в производительности по сравнению с работой на ПК, оснащенных обычными процессорами Pentium. Этот выигрыш составляет порядка 7-10% и достигается за счет большей емкости кэш-памяти у процессоров класса ММХ и некоторых архитектурных улучшений.

Помимо ориентации на Windows новые версии системы MathCAD содержат множество усовершенствований:

- удобное и простое управление мышью;

- более совершенный редактор документов;

- возможность выполнения наиболее распространенных символьных вычислений;

- объединенные в единый центр ресурсов встроенные электронные книги;

- мощная справочная система и многочисленные примеры применения - шпаргалки QuickSheets.

Системы реализуют типовые и весьма обширные возможности Windows, включая доступность множества шрифтов, поддержку всех типов принтеров, одновременное выполнение нескольких разнохарактерных задач и (в последних версиях) реализацию механизмов обмена объектами OLE. В режиме редактирования возможна одновременная работа с восемью документами (точнее, с восемью окнами, из которых лишь одно является активным).

Предусмотрен импорт любых графических изображений - от простых и специальных графиков функций до многокрасочных репродукций художественных произведений. Введены средства анимации рисунков и проигрывания видеофайлов со звуковым стереофоническим сопровождением. Это значительно улучшает визуализацию самых сложных расчетов. Справочная база данных о системе в MathCAD 7. 0 PRO гораздо полнее и изящнее, чем в ранних версиях. Она позволяет ознакомиться с основными возможностями MathCAD, разумеется, если пользователь хорошо владеет английским языком. Однако, в отличие от русифицированных версий MathCAD PLUS 6. 0 PRO, справочная база данных в версии 7. 0 реализована на английском языке (как и вся прочая документация). В систему встроены прекрасные справочники по математическим формулам и таблицы с физическими и химическими характеристиками различных веществ.

Особый интерес представляют встроенные в систему электронные книги, содержащие справки (математические формулы), иллюстрации и примеры применения системы по ряду разделов математики, механики, физики, электротехники и радиотехники, а также по интерфейсу системы. Можно выделить нужную справку - формулу или рисунок - и перенести ее в текст документа. В сочетании с возможностью импорта графических файлов из других графических систем (таких, как VISIO, AutoCAD, PCAD, TurboCAD и др.) это позволяет готовить документы, в которых наряду с расчетной частью будут и высококачественные иллюстрации.

Существенно улучшены графические возможности системы. В ранних версиях при построении графиков функций перечисление их функций шло в одну строчку. Это приводило к смещению графика от левой части экрана вправо. Кроме того, было неясно (особенно при монохромном дисплее и распечатке документов не цветным принтером), к какой функции относится та или иная кривая.

Эти недостатки в основном устранены в последних версиях. Теперь имена перечисляемых функций располагаются друг под другом вместе с указаниями на тип линии, ее цвет (в виде короткого отрезка соответствующих цвета и типа) и наличие меток того или иного типа (кружки, крестики, квадратики и т. д.). Существенно упрощен процесс перемещения рисунков и изменения их размеров (с помощью мыши), повышена точность позиционирования рисунков.

Все версии MathCAD под Windows позволяют работать как с латинскими буквами, так и с кириллицей (буквами русского алфавита), греческим алфавитом и вообще с любыми символами, доступными Windows. Более того, благодаря применению масштабируемых TTF-шрифтов можно управлять как размером символов, так и их стилем (делая буквы прямыми или наклонными, тонкими или жирными). Все это дает возможность готовить документы и электронные книги высокого качества как на английском, так и на русском языках. При этом такая возможность есть и в русифицированных, и в англоязычных версиях MathCAD.

Последние версии системы MathCAD дают новые средства для подготовки сложных документов. В них предусмотрено красочное выделение отдельных формул, многовариантный вызов одних документов из других, возможность закрытия «на замок» отдельных частей документов, гипертекстовые и гипермедиа-переходы и т. д. Это позволяет создавать превосходные обучающие программы и целые книги по любым курсам, базирующимся на математическом аппарате. Здесь же реализуется удобное и наглядное объектно-ориентированное программирование сложнейших задач, при котором программа составляется автоматически по заданию пользователя, а само задание формулируется на естественном математическом языке общения с системой. Возможности ввода сложных математических выражений и текстов с самыми разнообразными выделениями заметно расширились.

В эту версию MathCAD добавлена функция задания некоторых типов графиков без определения, ранжированных (имеющих диапазон значений) переменных, что резко упростило построение таких графиков для начинающих пользователей. Намного улучшилась справочная система и общее управление ею. Организована связь с другими математическими системами и использование их возможностей. С системой поставляется полное (но англоязычное) описание в формате файлов популярного Internet-браузера Acrobat Reader. Введено и принципиально новое средство - MathConnex - для симулирования систем, представленных состоящей из блоков функциональной схемой MathCAD 7.0 STANDARD - упрощенная версия, удобная для большинства пользователей и применения в учебных целях; MathCAD 7.0 PRO - профессиональная версия, ориентированная на математиков и научно-педагогических работников, заинтересованных в автоматизации своих достаточно сложных и трудоемких расчетов. При этом важно отметить, что MathCAD не только средство для решения математических задач. Это, по существу, мощная математическая САПР, позволяющая готовить на высочайшем полиграфическом уровне любые относящиеся к науке и технике материалы: документацию, научные отчеты, книги и статьи, диссертации, дипломные и курсовые проекты и т. д. При этом в них одновременно могут присутствовать тексты сложного вида, любые математические формулы, графики функций и различные иллюстративные материалы. Позволяет MathCAD готовить и высококачественные электронные книги с гипертекстовыми ссылками.

Некоторые критики системы MathCAD, как правило, даже не работающие с нею, говорят, что реализация решения математических задач в среде MathCAD отучает пользователя от познания фундаментальных основ реализации математических численных методов обычными средствами программирования. Это обвинение абсолютно абсурдно. MathCAD как раз и позволяет описать любые алгоритмы реализации численных методов привычным для математиков языком обычных формул. В них включены важнейшие средства программирования и предусмотрена возможность задания программных блоков - процедур с общепринятыми операторами программирования. В совокупности с иными средствами входного языка это делает его необычайно гибким, мощным и наглядным.

Как отмечалось, входной язык системы MathCAD - интерпретирующий. В интерпретаторах, например в Бейсике, листинг программы пользователя просматривается сверху вниз (а в пределах строки - слева направо), и любые указания в программе тут же выполняются. Так же просматриваются и блоки в системе MathCAD. При опознании блока система автоматически запускает внутренние подпрограммы выполнения необходимых действий, например, вычисления по формуле, вывод таблицы значений вектора, построение рисунка по его шаблону и т. д. В общем, это напоминает интерпретацию высшего уровня, при которой пользователь не опускается до таких мелочей, как составление необходимых подпрограмм, хотя, как уже было сказано, теперь и это вполне возможно.

Интерпретаторы действуют медленно, поэтому не случайно пользователи, имевшие дело со старыми версиями MathCAD, отмечали медлительность систем, особенно при сложных вычислениях и при построении графиков. Медлительность является и следствием работы системы в графическом режиме, когда малейшее изменение содержания экрана требует его полной перерисовки.

В ряде предшествующих версий (и в новой) была введена экспертная система SmartMath. Она старается использовать при численных вычислениях конечные формулы, полученные в результате символьных преобразований. Порой это дает резкое ускорение вычислений в сравнении с их реализацией численными методами. Операция SmartMath (Быстрая математика) вводится оператором и словами-директивами. Их число значительно увеличено, и для ввода операторов и директив символьной математики добавлена специальная палитра. Так что SmartMath превратилась в полноправного члена семьи MathCAD.

Начиная с версии MathCAD PLUS 5. 0 в систему введена возможность ее расширения функциями, которые задаются обычными программами на языке Си или Си++. Однако это не позволяет эффективно и просто решить проблему расширения возможностей системы. На Си или Си++ хорошо программируют системные программисты, но они весьма редко разбираются в сути математических задач. Обычные пользователи, освоив возможности MathCAD, не захотят вернуться к тому, от чего уже ушли, - к программированию на достаточно сложном языке

В связи с этим в последних версиях MathCAD появилась весьма изящная функция записи встроенных в документ программных модулей, реализующих типовые управляющие структуры и записанных в столь милом для программистов виде обычных программ.

Перечислим основные отличия новой версии MathCAD:

- существенно переработанный и приближенный к интерфейсу текстового процессора Word пользовательский интерфейс,

- задание в первый раз значений переменных нажатием клавиши (она при этом дает знак присваивания, но может использоваться и для задания вывода при численных расчетах),

- быстрое построение (QuickPlot) графиков в декартовых и полярных координатах с автоматической установкой пределов изменения независимых переменных;

- новая палитра символьной математики с расширенными операторами;

- более удобный и наглядный синтаксис символьных операций;

- возможность обработки ошибок в ходе вычислений;

- новые операторы программирования on error, continue и return;

- применение в программах операторов символьных операций;

- новый тип строковых данных, констант и переменных;

- восемь новых функций для работы со строковыми данными;

- задание единиц измерений в системе СИ;

- возможность подготовки сложных документов разными пользователями, работающими в разных местах, с помощью операции Collaboratory;

- возможность обмена документами через сеть Internet и Web;

- появление более оперативного центра ресурсов (Resource Center) вместо быстрых «шпаргалок» QuickSheet, а также электронных книг, самоучителя и др.;

- моделирование (симулирование) работы сложных систем, построенных из функциональных блоков, с помощью системы MathConnex, имеющей 16 компонентов;

- возможность использования функций других систем (Excel, Axus, MatLAB и др.) и фактическая интеграция с ними.

Некоторые из указанных изменений можно отнести к разряду приятных мелочей; это, например, расширенное действие знака. Другие, такие, как интеграция с иными системами и применение MathConnex, являются серьезными дополнениями системы, открывающими перед ней множество новых возможностей.

Например, во время преподавания AutoCAD рассматривается частичная загрузка чертежей и дополнительная погрузка их фрагментов, новые режимы объектной привязки и варианты редактирования блоков и файлов внешних ссылок.

Детально рассматриваются менеджер свойств объектов, инструменты проставления размеров, работа с текстом, функции работы с трехмерными объектами, штриховка и менеджер свойств слоев, затрагиваются вопросы обмена информацией с другими приложениями и связь AutoCAD с World Wide Web. Потом речь идет о наборе инструментов, которые повышают эффективность вывода на печать, начиная от раскладки листа и заканчивая созданием именованных стилей. Применяемый практикум содержит иллюстрированные описания всех меню и панелей инструментов, существующих в AutoCAD. В нем есть словарь наиболее часто употребляемых терминов, приведен перечень всех команд AutoCAD 2000. Кроме того используется CD ROM, содержащий помимо самих файлов чертежей, необходимых для выполнения упражнений, множество полезной информации, предоставленной крупнейшими российскими фирмами, работающими в области САПР. AutoCAD сегодня - это уникальная комбинация мощной технологии, простоты применения и чрезвычайной гибкости.

Студенты знакомятся с основными элементами графического пользовательского интерфейса AutoCAD, с подробным описанием использования отдельных элементов графического интерфейса с различными возможностями ввода команд - это использование системного и контекстных меню, диалоговых окон, панелей инструментов и командной строки.

В AutoCAD можно задавать абсолютные и относительные прямоугольные и полярные координаты.

- Полярный и ортогональный режимы допускают перемещение графического курсора в различных направлениях по установленным пользователем углам.

- Шаговая привязка ограничивает перемещение курсора по узлам воображаемой сетки, интервал между которыми можно настраивать.

- Объектная привязка позволяет связывать точки построения новых элементов чертежа с существующими.

- Режим AutoSnap дает дополнительную возможность проверить и подтвердить отбор действий, выполняемых системой.

Студенты знакомятся с мастером настройки рабочей среды и учатся создавать и использовать шаблоны.

Моделирование профессиональной деятельности в учебном процессе - это такое ее отражение в содержании обучения и в реальной учебной деятельности, которое дает студентам правильное и полное представление о целостной профессиональной деятельности и позволяет им в процессе обучения овладеть способами (действиями, операциями) профессиональной деятельности настолько полно, что обеспечивает безболезненный переход к действительному выполнению своих трудовых обязанностей (профессиональных функций). Проведенный нами анализ учебного процесса выявил отсутствие логических и практических взаимосвязей между приобретенными умениями, что не позволяет студентам эффективно использовать их в процессе труда.

Мы предлагаем для учебных целей в свете повышения профессионализма будущих инженеров использовать программные продукты AutoCAD, MathCAD, благодаря которым можно многократно имитировать различные стороны инженерной деятельности на предприятиях разных отраслей. Имитация профессиональной деятельности в ходе решения учебно-производственных задач обеспечивает овладение студентами необходимыми профессиональными умениями и навыками. Другими словами, учебно-производственные задачи являются физическим аналогом (прообразом) тех реальных задач, с которыми будущие инженеры неизбежно встретятся на производстве.

Возникают проблемы, связанные с наличием преподавательских кадров, способных воплотить в жизнь цели и задачи такого подхода к обучению, а также с отсутствием учебно-методического и материально-технического обеспечения. К сожалению, большая часть преподавателей технических дисциплин не обладают необходимыми навыками работы на компьютере и материально не заинтересованы в этом в силу различных причин. В свою очередь, преподаватели компьютерных дисциплин не достаточно хорошо знают, например, общеинженерные дисциплины. Отсюда возникает проблема наличия квалифицированных кадров. Необходимо на старших курсах при изучении дисциплин «Информационные технологии» и «Информационные системы» больше внимания уделять изучению систем AutoCAD, MathCAD, благодаря чему наши студенты на занятиях ознакомятся с компьютерной инженерией. В учебном процессе можно использовать учебно-методические материалы, которые можно разделить на две большие группы: продукты, разработанные специально для организации учебного процесса и продукты многоцелевого использования.

К первой группе можно отнести предлагаемые программно-методические комплексы. Они включают в свой состав не только методические материалы, но и сам программный продукт. Комплекс AutoCAD, MathCAD может использоваться как для подготовки будущих инженеров, так и в Институте повышения квалификации на курсах повышения квалификации специалистов этого профиля.

В результате проведенного анализа соответствующей литературы напрашивается вывод о необходимости включения в учебные планы дисциплин «Информационные системы», «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации», «Вычислительные машины, сети и системы телекоммуникаций» на технических факультетах вузов изучение программных продуктов AutoCAD, MathCAD.

Изучение данных программных продуктов в виде отдельных курсов внутри этих дисциплин не может быть, как это иногда случается, изолированным от всего процесса становления специалиста. В контексте данного исследования нас интересовала возможность создания дидактической системы формирования профессионализма студентов технических специальностей в ходе преподавания дисциплин информационного блока.

Собственный опыт работы в качестве преподавателя, а так же анализ имеющейся методической, педагогической и специальной литературы показал, что методика обучения основывается на следующих принципах: обучение обязательно ведется в контексте будущей профессиональной деятельности, когда любая решаемая задача отражает одну из сторон будущей профессии; обучение является системным и опирается на единую дидактическую систему; обучение ведется в тесном взаимодействии с другими учебными дисциплинами; при выборе профессионального программного обеспечения для обучения учитывается популярность программ в настоящий момент, а также соответствие программного обеспечения современному уровню развития информационных технологий и возможные тенденции его развития в будущем.

Таким образом, в настоящее время в нашей стране большей популярностью пользуются программы AutoCAD, MathCAD, что и должно определять широкое использование данных программ в учебном процессе.

Опыт работы с системой MathCAD под Windows позволяет сделать вывод, что студенты, аспиранты, инженеры и ученые получили превосходный инструмент для повседневной работы.

 

АВТОР: Гайворонская Н.А.