Organization of practical classes on the course "Fundamentals of information systems design"

Введение / Introduction

В Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017–2030 годы определены главные направления развития информационного общества в России, среди которых отдельно выделены информационные системы (далее – ИС), которые «стали частью повседневной жизни россиян» и «оказывают существенное влияние на развитие традиционных отраслей экономики» [1]. В рамках федерального проекта «Развитие кадрового потенциала ИТ-отрасли» национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации» составлено более 250 дополнительных профессиональных программ и программ профессиональной переподготовки ИТ-профиля для специалистов по разработке и эксплуатации ИС различных отраслей народного хозяйства – от топливно-энергетического комплекса до садоводческих и огороднических хозяйств [2].

Сегодня действуют три федеральных государственных образовательных стандарта (ФГОС). ФГОС среднего профессионального образования по специальности 09.02.07 «Информационные системы и программирование» четко определяет профессиональные компетенции будущих выпускников в области проектирования: «ПК 5.1. Собирать исходные данные для разработки проектной документации на информационную систему; ПК 5.2. Разрабатывать проектную документацию на разработку информационной системы в соответствии с требованиями заказчика; ПК 5.3. Разрабатывать подсистемы безопасности информационной системы в соответствии с техническим заданием; ПК 5.4. Производить разработку модулей информационной системы в соответствии с техническим заданием; ПК 5.5. Осуществлять тестирование информационной системы на этапе опытной эксплуатации с фиксацией выявленных ошибок кодирования в разрабатываемых модулях информационной системы» [3].

 ФГОС высшего образования – бакалавриат по направлению подготовки 09.03.02 «Информационные системы и технологии» [4] и ФГОС высшего образования – магистратура по направлению подготовки 09.04.02 «Информационные системы и технологии» [5] устанавливают только более широкие общепрофессиональные компетенции, а конкретные профессиональные компетенции определяются организацией самостоятельно на основе профессиональных стандартов, соответствующих профессиональной деятельности выпускников.

В связи с массовым внедрением ИТ-технологий во все сферы профессиональной деятельности отдельные разделы этих образовательных программ применяются в учебных планах подготовки специалистов не ИТ-профиля.

Бурное внедрение искусственного интеллекта привело к появлению нового поколения систем – гибридных интеллектуальных информационных систем (ГИИС), в которые встраиваются модули интеллектуальной обработки данных и знаний [6]. Такой подход существенно увеличил степень «цифровизации» традиционных профессий, что требует составления адаптированных для них образовательных программ [7]. Представленная работа является примером такой адаптации объемного курса «Проектирование информационных систем» до необходимого сокращенного объема.

Прорывные изменения информационных средств и технологий не могут изменить основополагающих педагогических принципов. Связь теории и практики в педагогике имеет непрерывный характер [8]. С этой точки зрения автор считает важным организовать практические занятия по курсу «Основы проектирования информационных систем» на основе образовательного трека, направленного от получения теоретических знаний по проектированию к приобретению практических умений и навыков по созданию прототипа программного продукта.

Обзор литературы / Literature review

В Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б. Н. Ельцина опубликована методическая разработка О. Г. Инюшкиной для применения на практике методологий структурного анализа и проектирования ИС [9]. Начинается процесс с предпроектного обследования объекта, которое состоит из сбора сведений об объекте, их систематизации и описания, моделирования предметной области.

Значимость этого первоначального этапа для достижения высоких показателей эффективности создаваемой системы отмечена преподавателями Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана Б. С. Горячкиным и К. С. Мышенковым. Ими «предложен новый подход в парадигме постановки задачи на проектирование, ее формализации, выработке массива вариантов технических и информационно-программных решений, основывающихся на визуальном представлении элементов и компонентов проектирования человеко-ориентированной системы с использованием современных инструментов и средств, для решения многокритериальных задач» [10]. В статье продемонстрирован рациональный способ создания информационно-логических моделей на ранних этапах жизненного цикла автоматизированных ИС, который позволяет емко и наглядно представлять значительные объемы информации.

Основанная в 1989 году международная организация The Object Management Group, Inc. (OMG), объединяющая более чем 800 участников, включая поставщиков информационных систем, разработчиков программного обеспечения и пользователей, сделала огромный вклад в развитие объектно ориентированных технологий создания ИС. Основой их стала спецификация унифицированного языка моделирования UML [11], которая стала общепринятым стандартом в области объектно ориентированной разработки программного обеспечения.

В учебном пособии И. Ю. Коцюбы, А. В. Чунаева, А. Н. Шикова предложено описание предметной области с помощью диаграммы вариантов использования (прецедентов, use case diagram), диаграммы деятельности (activity diagram), диаграммы последовательности (sequence diagram), диаграммы классов (class diagram), диаграммы компонентов (component diagram), диаграммы развертывания (deployment diagram) [12]. Эти графические элементы сгруппированы по следующим уровням визуального моделирования: концептуальный, логический и физический.

Преподаватели Томского политехнического университета Р. В. Ковин и Е. А. Мирошниченко составили лабораторный практикум [13], посвященный решению практических задач по проектированию ИС, включая эскизное и техническое проектирование, описание решений с помощью диаграмм UML, составление моделей баз данных и интерфейсов пользователя. Особенностью данного труда является то, что лабораторные работы посвящены разработке некоторой ИС, а в каждой конкретной работе выполняется отдельный этап проектирования.

В учебнике А. И. Сухомлинова подробно изложены такие методы анализа систем, как логическое моделирование данных, конструирование информационной модели. Эти методы являются основой для проектирования базы данных, интерфейсов и диалогов системы [14]. Интересен тезис автора пособия о единстве процессов корпоративного стратегического планирования, в ходе которого определяются миссии, цели и стратегии организации, и процессов планирования ИС, при котором формулируются информационные потребности организации и проектируются функциональные программные модули, базы данных, технологии обработки и представления информации, которые максимально удовлетворяют этим потребностям.

Технология формирования современной схемы реляционной базы данных изложена в работахЭ. Ф. Кодда[15] еще в конце 1960-х годов прошлого века. В ее основе заложена реляционная модель, в рамках которой используется естественная структура описания информации. При таком подходе компьютерные программы становятся независимыми от машинного представления и организации данных. Описание итоговой схемы выполняется в виде даталогической модели.

Т. Коннолли [16] обобщил опыт своего коллектива в области разработки баз данных для нужд предприятий, организаций, научных учреждений и разработал курс и серию учебных пособий для обучения студентов в университете Пейсли в Шотландии. Автор статьи считает важным отметить такой факт: в работах Т. Коннолли стадии проектирования базы данных сгруппированы по тем же уровням (концептуальный, логический, физический), что и описание предметной области на языке UML.

В методических указаниях С. М. Куценко для студентов Казанского государственного энергетического университета, обучающихся по образовательной программе направления подготовки 09.04.03 «Прикладная информатика», объединены теоретические и практические задания в рамках курсовой работы: «Студент приобретает опыт и навыки использования теоретических знаний в решении практических задач, также расширяет практические навыки и опыт работы со специальной литературой. Основными задачами при выполнении курсовой работы являются повышение эффективности рассматриваемых процессов и приближение студента к практической деятельности. Итогом выполнения курсовой работы является создание готового программного продукта по предложенной теме» [17].

Преподаватели кафедры «Системы обработки информации и управления» Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана Д. А. Гурьянов и К. С. Мышенков обобщили способы выбора методологии разработки программного обеспечения [18]. Предложенный ими способ оценки ее эффективности может применяться в качестве средства поддержки принятия решений руководителем команды разработчиков. В учебных целях он полезен для обучения студентов составлению оптимальной стратегии создания прототипа и эксплуатации готовой ИС.

Практическая реализация ИС до 2022 года на кафедре выполнялась:

– на языке программирования Java в среде разработки IntelliJ IDEA. В современном учебнике Т. Хагоса [19] помимо описания языка и технологии работы со средой уделено внимание проблемам тестирования и развертывания готовых приложений.  Студенты получают знания, позволяющие поэтапно переходить от программирования простых настольных (desktop) приложений к созданию ИС с трехзвенной веб-архитектурой;

– языке программирования C# в среде разработки Microsoft Visual Studio. В книге Г. Шилдта [20] представлено подробное описание языка C# и стандартных библиотек для разработчика. Эти знания дополняет учебник К. Нейгела, Б. Ивьена, Д. Глинна, К. Уотсона [21] разделом, посвященным изучению технологии визуального проектирования в среде Visual Studio. На основе этих иностранных учебных пособий преподаватели кафедры Ю. Е.  Гапанюк, Г. И. Ревунков, Э. Н. Самохвалов разработали учебник для студентов МГТУ имени Н. Э. Баумана, обучающихся по специальности «Информатика и вычислительная техника» [22]. Этот труд объединил в себе сразу несколько учебных дисциплин: Основы языка C#, Основы объектно ориентированного программирования, Визуальное проектирование. На младших курсах бакалавриата рекомендуется изучение методов разработки пользовательского интерфейса с использованием технологии Windows Forms.

В 2007 году в российском образовании был взят курс на внедрение свободного программного обеспечения в учебный процесс [23]. Основным препятствием, с которым столкнулись школы на этом пути, стала несовместимость используемых приложений с операционными системами (на базе Linux) и техническими характеристиками компьютеров. В университетах таких программных продуктов значительно больше, поэтому проблемы решались долго и не всегда успешно.

С 2022 года переход на свободное программное обеспечение резко ускорился. В новом ФГОС язык программирования Python включен в рабочую программу по информатике для общеобразовательных учреждений. Выпускники школ активно выбирают его при прохождении промежуточных аттестаций, сдаче Единого государственного экзамена и продолжают им пользоваться в высших учебных заведениях [24]. При обучении программированию графических интерфейсов ИС все более популярной становится свободно распространяемая библиотека Tkinter [25], которая включена в стандартную поставку Python3. Простота данной технологии позволяет применять ее не только на младших курсах университетов, но и в школах.

Обобщая изложенное, можно сделать вывод о том, что курс «Основы проектирования ИС» должен объединить следующие этапы:

– исследование, систематизация сведений и моделирование предметной области;

– постановка задач проектирования;

– структурирование информации и составление реляционной схемы базы данных, описание алгоритмов обработки информации;

– разработка пользовательского графического интерфейса ИС;

– формирование проектной документации.

Теоретические результаты, полученные на каждом этапе проектирования, должны быть максимально точно реализованы в прототипе ИС с использованием свободного программного обеспечения.

Методологическая база исследования / Methodological base of the research

С целью усвоения студентами знаний об организации жизненного цикла ИС состав практических занятий рекомендовано структурировать по его фазам: Замысел (планирование проекта), Анализ и постановка задачи, Проектирование, Разработка, Развертывание и внедрение, Эксплуатация, Поддержка, Модернизация, Утилизация [26]. Если применять принцип ФГОС, то учебный план состоит из базовой и вариативной частей. Таким образом формируются модули базовой части учебной программы:

М1 – Исследование предметной области,

М2 – Постановка задачи,

М3 – Проектирование,

М4 – Разработка программного продукта,

М5 – Развертывание,

М6 – Документирование.

Вариативную часть следует составлять с учетом профиля подготовки будущих специалистов.

Студенту назначается вариант с темой ИС, в рамках которой он последовательно выполняет задания от первого модуля до последнего. На практике процесс проектирования носит итерационный характер: при выполнении очередного этапа обнаруживаются неполнота информации, ошибочность или нерациональность решений, допущенных на предыдущих шагах. Это надо учитывать при расчете аудиторных часов, отводимых на занятия.

Модуль М1 «Исследование предметной области» посвящен широкому исследованию области применения проектируемой ИС. Кроме того, студент знакомится с такими требованиями своей будущей выпускной квалификационной работы бакалавра, как обоснование ее актуальности, практической значимости, сбор и систематизация литературы по теме. Традиционно на этом этапе исследуются и описываются бизнес-процессы предприятия [27]. Желательно, чтобы параллельно или перед чтением курса «Основы проектирования информационных систем» преподавались дисциплины, помогающие лучше понимать предметную область, например «Экономика предприятия».

В модуле М2 «Постановка задачи» определяются действующие лица и их функции, подлежащие автоматизации. Строится иерархия задач, определяется их состав и опциональность. Требования, предъявляемые к ИС, и описание условий ее эксплуатации составляют техническое задание на разработку ИС [28]. Для обучающихся не по ИТ-специальностям этот модуль, по мнению автора, можно сократить до уровня UML-диаграммы вариантов использования.

В модуле М3 «Проектирование» студент практикуется структурировать информацию, составлять даталогическую модель данных и алгоритмы их обработки, проектировать экранные формы и граф диалога системы [29]. Выходная информация ИС представлена отчетной формой, например, будущим бакалаврам по экономическим специальностям целесообразно предложить сформировать такие отчеты: карточка учета материалов по форме М-17, расчетная ведомость Т-51, инвентарная карточка учета объекта основных средств ОС-6, журнал кассира-операциониста КМ-4 и т. п.

На этапе М4 «Разработка программного продукта» выполняются задачи по программированию прототипа ИС на основании результатов предыдущих учебных модулей. Среда программирования (Integrated development environment, IDE) определяется преподавателем, который проводит практические занятия, или выбирается самим студентом. Успешным педагогическим результатом считается такая реализация проекта, при которой максимально точно отражены промежуточные результаты его предыдущих этапов.

Модуль М5 «Развертывание» предлагается для отработки различных вариантов развертывания ИС как части более крупного проекта с элементами электронного взаимодействия с другими внешними системами. Здесь уместно познакомить студентов с такими распространенными форматами файлов обмена: XML, JSON, XBRL и др.

В рамках учебного модуля М6 «Документирование» отрабатываются навыки оформления проектной документации в соответствии с государственными стандартами, в сокращенном варианте – в виде пояснительной записки к проекту.

Пилотная апробация нового курса проводилась автором в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана на практических занятиях со студентами первого курса бакалавриата факультета «Инженерный бизнес и менеджмент». Составлены 30 вариантов с различными темами проектов из области экономики предприятия. План занятий представлен в таблице.

План практических занятий

Промежуточные отчеты по модулям составляют вместе пояснительную записку к проекту. На защите студент читает доклад о проделанной работе с демонстрацией презентации (7–10 слайдов). Лучшие работы рекомендуются для показа на ежегодной Всероссийской студенческой конференции «Студенческая научная весна». 

Результаты исследования / Research results

По мнению автора, модуль М1 «Исследование предметной области» должен обязательно включать в себя практическое занятие «Юридическое обоснование разработки ИС». Согласно ФГОС студент должен уметь «разрабатывать проектную документацию на разработку информационной системы в соответствии с требованиями заказчика», однако заказчик часто включает в техническое задание  такое универсальное условие, как «функции ИС должны соответствовать требованиям действующего законодательства».  Цель работы: освоение методов поиска и анализа законодательных актов и нормативно-правовых документов, необходимых для разработки информационной системы. Задание: в соответствии с указанной в варианте темой ИС найти, изучить и составить перечень документов в такой последовательности:

федеральный уровень (общий) – национальные проекты, кодексы, законы, указы Президента РФ, постановления Правительства РФ;

федеральный уровень (отраслевой) – нормативно-правовые документы отраслевых министерств и ведомств, государственные стандарты, технические условия;

региональный уровень – постановления региональных органов власти;

корпоративный уровень – технические регламенты и стандарты предприятий и учреждений.

В результате студент должен сформулировать:

– перечень действующих лиц (пользователей) ИС, их функции;

– состав входной и выходной информации, состав справочников ИС;

– алгоритмы форматно-логического контроля входной (и выходной) информации;

– алгоритмы обработки данных и расчетов;

– регламенты формирования отчетов и электронного взаимодействия с внешними системами;

– требования по ограничению доступа к данным и комплексной защите ИС.

В модуле М2 «Постановка задачи» выполняется практическое занятие «Диаграмма вариантов использования». Цель работы: освоение метода проектирования ИС – построение диаграммы вариантов использования (use case). Задание: в соответствии с указанной в варианте темой ИС составить диаграмму вариантов использования. Рекомендован бесплатный онлайн-сервис draw.io.

Состав диаграммы: 1) акторы – группы лиц или системы, взаимодействующие с проектируемой ИС; 2) варианты использования (прецеденты) – сервисы, которые ИС предоставляет акторам; 3) комментарии; 4) отношения между прецедентами двух видов: include (обязательно исполняется), extend (выполняется по условию или по выбору).

Модуль М3 «Проектирование» начинает практическое занятие «Даталогическое проектирование». Цель работы: освоение методики составления даталогической модели базы данных. Задание: в соответствии с указанной в варианте темой ИС составить реквизитный состав основной таблицы и перечень сопутствующих справочников. Построить даталогическую модель. Отметить первичные (PK – primary key) и внешние (FK – foreign key) ключи. Предлагается формат проектируемых файлов базы данных – CSV.

Автор считает важным использовать на этом занятии бланки форм отчетности ИС, которые выбрал студент на этапе М1. Необходимо из всех граф отчета выделить те, которые поддерживаются справочниками. Первым шагом определяются реквизиты справочника настроек системы (ячейки выделены цветом, см. рис. 1).

Рис. 1. Отчет «6-НДФЛ». Составление файла настроек ИС

На примере справочник «Настройки системы» будет иметь следующий состав:

INN – ИНН (идентификационный номер налогоплательщика);

KPP – КПП (код постановки на налоговый учет);

FNS – код налогового органа для предоставления отчетов;

NAMEFIRM – наименование организации (полное);

OKTMO – код организации из общероссийского классификатора территорий муниципальных образований;

TELEFON – номер контактного телефона.

Пример заполнения соответствующего справочнику файла system.csv:

«7728702752;772801001;7728; Общество с ограниченной ответственностью “Софт Комплект”; 45910000; +7-495-***-**-**».

Вторым шагом определяются реквизиты других справочников системы (см. рис. 2).

Рис. 2. Отчет «6-НДФЛ». Справочники для раздела 1

На примере справочник «Статус налогоплательщика» будет иметь следующий состав: ID – Код, NAMESTAT – Наименование. Пример заполнения файла statusnal.csv:

«1; налогоплательщик является налоговым резидентом Российской Федерации

6; налогоплательщик – иностранный гражданин осуществляет трудовую деятельность по найму в Российской Федерации на основании патента».

Итогами выполнения этого занятия являются схема даталогической модели базы данных и набор соответствующих ей CSV-файлов.

Продолжает модуль М3 «Проектирование» практическое занятие «Проектирование расчетных алгоритмов». Цель работы: освоение методов составления блок-схемы алгоритма по правилам, сформулированным в ГОСТ 19.701 «Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения». Задание: в соответствии с указанной в варианте темой ИС составить блок-схему алгоритма. Обязательно использовать блоки ветвления и цикла.

В рамках учебного модуля М4 «Разработка программного продукта» автор предлагает выполнить практические занятия по программированию прототипа ИС. Цель работы: приобретение практических навыков точного выполнения проектных условий и требований. Задание: составить программный код ИС, который выполняет следующий минимальный набор подзадач:           

– Настройки системы и справочников, чтение данных из CSV-файла.

– Форма ввода и редактирования записи исходных данных, их хранение в CSV‑файле.

– Табличная форма просмотра данных.

– Функции форматно-логического контроля.

– Расчет. Формирование таблицы выходных данных.

– Отчетность. Подготовка файла с шаблоном отчета в формате txt или Excel. Вывод отчетной формы с помощью файла-шаблона.

В связи со сложностями использования средств, разработки западных компаний автор рекомендует использовать на занятиях язык программирования Python и библиотеку визуальных объектов Tkinter.

Модуль М5 «Развертывание» содержит практические занятия по составлению диаграммы компонентов и диаграммы развертывания. Цель работы: освоить методы декомпозиции задач, развертывания программных и технических компонентов, масштабирования систем, организации их электронного взаимодействия.

Завершают авторский курс практические занятия учебного модуля М6 «Документирование», результатом которого служит пояснительная записка следующего содержания:

+

Раздел 1

• Титульный лист.
• Краткое описание предметной области.
• Название ИС. Назначение ИС. Обоснование разработки.
• Диаграмма вариантов использования ИС.
• Даталогическая модель базы данных.
• Блок-схема алгоритма.
• Диаграмма компонентов ИС.
• Диаграмма развертывания ИС.

Раздел 2

• Примеры файлов данных (csv).
• Скриншоты экранных форм с примерами.
• Тексты программных py-файлов.

В ходе пилотной апробации разработанная автором методика практических занятий применена при обучении студентов первого курса бакалавриата факультета «Инженерный бизнес и менеджмент» Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана в 2021/2022 и 2022/2023 учебных годах. Студентами разработаны следующие ИС: Учет товаров на складе, Расчет заработной платы, Штатное расписание, Табель работы строительной машины (механизма) и другие темы кадрового и бухгалтерского учета.

Ежегодно в рамках Всероссийского инновационного молодежного научно-инженерного форума «Политехника» на этом факультете проходит секция «Инженерный бизнес и менеджмент» Всероссийской студенческой конференции «Студенческая научная весна». Доклады студентов-первокурсников о полученных результатах проектирования ИС были заслушаны и оценены следующим образом: в 2022 году один проект занял третье место [30], в 2023 году два проекта заняли второе место и два проекта заняли третье место [31]. Важно отметить, что студенты, которые участвовали в конференции в 2022 году, продолжили активную деятельность и на конференции 2023 года, что тоже является результатом успеха, достигнутого при освоении основ проектирования ИС.

Работа автора получила следующее развитие. Модульная структура позволила расширить рабочую программу, например, для студентов бакалавриата IV курса кафедры «Информационная аналитика и политические технологии» добавлен новый учебный модуль «Технологии машинного обучения в информационных системах» с практическими занятиями по темам: исследование линейной и нелинейной регрессии, анализ временных рядов, методы классификации и кластеризации данных, применение технологии AutoML. Для студентов ГБПОУ г. Москвы Академия джаза (среднее профессиональное образование) составлены следующие темы ИС: Дизайн афиш и программ выступлений, Система конкурсной документации, Учет музыкальных инструментов, Музыкальная библиотека и другие.

Заключение / Conclusion

Курс «Основы проектирования информационных систем» в современных условиях становится все более востребован при подготовке специалистов, трудящихся в различных отраслях российской экономики, однако традиционные подходы к составлению его рабочих программ нацелены в основном на обучение разработчиков программных продуктов и инженеров по эксплуатации ИС. Для не ИТ-специалистов необходимо сформировать новую адаптированную методику обучения.

Модульный принцип организации обучающих курсов хорошо зарекомендовал себя на практике. Корректировка состава практических занятий и их объема позволяет провести гибкую настройку образовательного трека под общие требования профессиональной подготовки и личные пожелания студента.

Для составления тем проектов учебные заведения могут приглашать консультантов из профессиональной среды будущих специалистов, представителей предприятий и организаций. Исследование предметной области их деятельности в рамках данного курса поможет в будущем трудоустройстве выпускников по специальности.

Составленный автором курс практических занятий может найти широкое применение не только при получении базового образования, но и при переподготовке или повышении квалификации работников, например в рамках реализации проекта «Цифровые кафедры».