Структурный подход в преподавании информатики а.Г. Кокин Курганский государственный университет
kainen-lara@yandex.ru
В настоящее время широко используются CASE – технологии для структурного моделирования систем и проектирования программного обеспечения. CASE - это инструментарий для разработчиков и прогpаммистов, заменяющий им бумагу и карандаш на компьютер для автоматизации процесса проектирования. Методологии структурного анализа и проектирования основаны на наглядных диаграммных техниках, при этом для описания модели проектируемой системы используются графы, диаграммы, таблицы и схемы, т.е. используется безбумажная технология планирования, проектирования, создания системного проекта [1].
CASE – технологии с успехом могут быть использованы для структуризации приемов и методов работы с программными средствами вычислительной техники, которые входят в состав основной задачи информатики.
Информатика как практическая наука представляет собой систему взаимосвязанных дисциплин. Структурный подход позволяет упорядочить отношения между элементами системы, разрешить проблемы проектирования (изменения конфигурации системы в зависимости от требований), планирования и другие проблемы связанные с реализацией системы образования по информатике.
Структуризация необходима при увязывании преподавания дисциплин, разработке учебных планов и рабочих программ, обеспечении дисциплин учебно-методическими материалами. Наглядность, визуализация системы позволяет решить проблемы с общим представлением о взаимозависимости дисциплин и поможет определить место каждой дисциплины в системе знаний, как для студентов, так и для преподавателей.
Для создания модели, отображающей всю сложность отношений между дисциплинами, могут использоваться такие инструментальные средства системного анализа и проектирования информационных систем как BРwin (модели IDEF0, IDEF3 и DFD) методологии SADT (Structured Analysis and Design Technique). Основная идея методологии SADT – построение древовидной функциональной модели системы [2, 3]. IDEF0 является стандартом моделирования бизнес-процессов. В IDEF0 система представляется как совокупность взаимодействующих работ или функций. IDEF3 используется для описания логики взаимодействия информационных потоков, DFD – модель потоков данных.
В нотации IDEF0 модель представляет собой иерархию диаграмм определенных учебных дисциплин. Рассмотрим фрагмент функциональной модели «Информатика» (рисунок 1).
Рисунок 1
На модели наглядно прослеживается взаимосвязь дисциплин в учебном процессе. Каждая группа дисциплин соответствует определенному курсу обучения. Последующий уровень изучения предполагает предварительное изучение материала предыдущих уровней структуры. Реконфигурация модели и системы позволяет изменять уровень подготовки специалистов по информатике и программированию в зависимости от требований, предъявляемых к системе образования. Перечень требований может быть разнообразным, ориентированным как на осмысление преподаваемых дисциплин, так и на закрепление базовых знаний по различным предметам, таким как базы данных, методы принятия решений, математическая статистика, моделирование систем, экспертные системы. Модель позволяет структурировать (декомпозировать) процесс образования по отдельным дисциплинам и объединять отдельные дисциплины в одну в зависимости от необходимого уровня подготовки (дополнительное образование, расширенное образование).
Структуризация пронизывает не только образовательную систему, дисциплины информатики, но и отдельные составляющие вплоть до организации отдельных программ. Каждая дисциплина может быть декомпозирована на составляющие компоненты с учетом тем и языков программирования. Например, для дисциплины «Информатика» это: HTML, СSS, ASP, Visual Basic; для программирования: Delphi, C++ Builder, Visual C++; для баз данных: Access, Visual FoxPro, ORACLE, SQL Server и т.д.
Рассмотрим структурную декомпозицию дисциплины САПР ПО («Системы автоматизированного проектирования программного обеспечения»). Для построения моделей используется структурный системный анализ (рисунок 2).
Рисунок 2
В структурном подходе различают несколько методологий проектирования систем. Проектирование ПО осуществляется по методологии DFD (Data Flow Diagrams) - диаграммы потоков данных - функциональная модель системы, ERD (Entity-Relationship Diagrams) - диаграммы "Сущность-связь", STD (State Transition Diagrams) - диаграммы переходов состояний. Каждая функция (процесс) может быть детализирована с помощью DFD нижнего уровня; когда дальнейшая детализация перестает быть полезной, переходят к выражению функций при помощи спецификаций процессов и формированию модулей с помощью структурных карт. Модель данных раскрывается с помощью ERD, строится информационная система. Поведение системы от времени раскрываются с помощью STD.
Возможна дальнейшая детализация при построении моделей при выборе нотаций проектирования: Йодана и Гейна-Сарсона, Чена, Баркера; средств структурного проектирования BPwin, Erwin, CASE-Аналитик, ProKit*Workbench, Design Machine, Westmount I-CASE Yourdon; методов спецификаций: cтруктурированный естественный язык, таблицы и деревья решений, FLOW-формы.
Структуризация образования в области информатики и программирования приводит к базе знаний: выявлению объектов и понятий, связей между понятиями. Полученные связи позволяют структурировать понятия: выявлять понятия более высокого уровня обобщения (метапонятия) и детализировать понятия на более низком уровне [4, 5]. Возможно построение пирамиды знаний.
Отношения между понятиями выявляются как внутри каждого из уровней пирамиды знаний, так и между уровнями. При этом связям фактически даются имена, обозначаются причинно-следственные, лингвистические, временные и другие виды отношений.
Выявленными понятиями в рассматриваемой модели являются: Программирование, Алгоритм, Языки, Дисциплина, Класс, Операция, Файл, Модуль, Структура, Система и другие. Отношения между понятиями могут быть: Есть часть, Используется, Производит, Включает в себя, Может быть, Есть, Состоит из, Используется для, Может состоять из, Есть выполнение. Например, Модуль Есть часть Программы, Базы данных Используются для Баз знаний, Система Состоит из Подсистем, БЗ и ЭС Включают в себя БД, Методы и средства проектирования Используются для построения Моделей.
На основе базы знаний возможно построение интеллектуальной или экспертной системы. Это значительно расширит возможности образовательной системы, сделает ее гибкой, многофункциональной как для организации образовательного процесса, так и для обучения студентов дисциплинам информатики. Для студентов с помощью такой системы возможен подбор необходимого материала для подготовки с помощью учебных модулей, включающих электронные учебники по лекциям, практическим и лабораторным занятиям различных дисциплин. Система также сможет подобрать индивидуальный вариант программы обучения.
Для преподавателей интеллектуальная система позволит увязать дисциплины в единый образовательный комплекс по разделам и значениям нагрузок в часах для каждой дисциплины и ее частей.
Структуризация, визуализация, CFSE-технологии, разработка экспертных и интеллектуальных систем является мощным фактором активизации процесса усвоения знаний студентами.