Формирование специальных компетенций магистров педагогического образования, профиль «Информатика», в области создания информационных систем

УДК 378.02:37.016

Н. В. Маслова

ФОРМИРОВАНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ КОМПЕТЕНЦИЙ

МАГИСТРОВ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ, ПРОФИЛЬ «ИНФОРМАТИКА»,

В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Представлены перечень специальных компетенций магистров педагогического образования, профиль «Информатика», в области создания информационных систем (ИС), содержание обучения магистров разделам информатики, связанным с проектированием и разработкой ИС.

Ключевые слова: информационная система, этапы жизненного цикла информационной системы, компетенции, содержание обучения.

Конец XX - начало XXI в. отмечены бурным развитием информационных технологий, беспрецедентными темпами изменения информационного пространства. Информатизация различных сфер общественной жизни давно уже превратилась в обычное явление. Вопросы проектирования информационных сред и организации управления ими стали повседневными задачами менеджмента в любой сфере деятельности, не исключая и образование. Важными системообразующими составляющими информационных сред являются информационные системы. Подготовка специалистов образования, готовых на практике самостоятельно проектировать, разрабатывать, сопровождать информационные системы, представляется непростой задачей, учитывая сложность и многоас-пектность предметной области. Нами предложена методика обучения магистров педагогического образования разделам информатики, связанным с проектированием и разработкой ИС, основанная на детальном изучении студентами всех этапов жизненного цикла информационных систем, ориентированная на овладение выпускниками теоретическими знаниями в области проектирования и создания информационных систем в сочетании с практическими навыками разработки. Концептуальные основы методики - компетентностный подход, личностно ориентированное обучение - предполагают выстраивание студентами индивидуального образовательного маршрута, применение активных методов обучения.

Сформулируем перечень специальных компетенций выпускника, способного строить и развивать информационную среду образовательного учреждения [1]:

- наличие представлений об управлении образовательным учреждением;

- готовность использовать средства проектирования информационной среды (например язык визуального моделирования Unified Modeling Language);

- владение средствами реализации информационной системы (система управления базами данных (СУБД), среда и язык программирования);

- способность вести диалог с заказчиками и сотрудниками, которые непосредственно будут использовать информационную систему;

- готовность создавать и администрировать базу данных и клиентское приложение для работы с ней;

- способность представить свой проект информационной системы заказчику;

- готовность обучать пользователей и осуществлять техническую поддержку системы в целом.

Уточним ведущие дидактические принципы, которые стали основой для отбора содержания обучения.

Согласно принципу научности в содержание обучения должны быть включены значимые современные достижения предметной области, адаптированные к познавательным возможностям обучаемых [2]. Анализ подходов к теории и практике проектирования и создания ИС позволил выделить следующие разделы, необходимые для освоения [3-9]:

- реляционные базы данных;

- современные стандарты, регламентирующие жизненный цикл ИС и процесс разработки программного обеспечения;

- формирование требований к ИС;

- проектирование ИС с помощью CASE-средств (StarUML);

- основы работы с СУБД (InterBase/Firebird);

- принципы работы ИС на основе клиент-серверной архитектуры;

- стандарты оформления графического интерфейса пользователя и исходного кода программы;

- создание клиентских приложений к базе данных (среда программирования Delphi7);

- способы тестирования разработанной ИС.

Одним из важнейших принципов дидактики является принцип наглядности. Я. А. Коменский называл его «золотым правилом» дидактики, согласно которому в обучении необходимо использовать все органы чувств человека, и отмечал, что «если мы намерены насаждать в учащихся истинные и достоверные знания, то вообще должны стремить-

ся обучать всему при помощи личного наблюдения и чувственной наглядности» [10]. Принцип наглядности при отборе содержания обучения предполагает использование в первую очередь новых достижений информационных технологий, направленных на создание условий для повышения качества усвоения содержания. Для наглядного представления отобранного теоретического материала о процессах жизненного цикла информационной системы, принципах построения графического интерфейса пользователя были разработаны электронный учебник и демонстрационные примеры (UML-диаграммы, описание руководств информационных систем, примеры ИС).

Электронное пособие знакомит студентов с жизненным циклом информационной системы. Содержание пособия структурировано и разбито на темы, реализована удобная навигация по разделам теоретического материала, способствующая быстрому поиску необходимой информации. Теоретический материал и задания к лабораторным работам содержат изображения графических интерфейсов программ, схемы расположения компонентов на форме, UML-диаграммы, примеры SQL-запросов для добавления, редактирования, поиска, удаления информации из базы данных и т. д. В качестве демонстрационных примеров используются реальные информационные системы управления образовательным учреждением, которые иллюстрируют профессиональный подход к созданию графического интерфейса пользователя, показыва-

ют сложность логической организации хранения данных и взаимодействия различных групп пользователей ИС. В профессиональной деятельности выпускникам необходимо будет осваивать информационные системы управления образовательным процессом, а возможно, и участвовать в их разработке и доработке. Демонстрация действующих ИС поможет сформировать у магистров представление о том, как должна быть организована ИС управления образовательным учреждением.

Принцип систематичности и последовательности предполагает изложение материала и усвоение знаний в определенном порядке, системе; требует логического построения как содержания, так и процесса обучения в целом. Для построения содержания обучения, ориентированного на непрерывную модель подготовки бакалавров и магистров педагогического образования, были проанализированы учебные и рабочие планы бакалавриата по направлению «Педагогическое образование» в области информатики и выделены блоки учебного материала, связанного с проектированием и созданием информационных систем (табл. 1, первая колонка), которые должны быть освоены магистрами. Вторая колонка табл. 1 содержит дисциплины, изучаемые в бакалавриате и связанные с вопросами проектирования и создания информационных систем. В дисциплинах бакалавриата выделены темы (табл. 1, третья колонка), которые обязаны знать студенты для последующего освоения соответствующего раздела в магистратуре.

Таблица 1

№ Учебные блоки подготовки магистров Дисциплины бакалавриата Темы дисциплин бакалавриата

1 Введение в информационные системы Введение в информатику. Информационные технологии Информационные процессы. Понятие «информационная система». Области применения информационных систем

2 Проектирование и создание баз данных Системы управления базами данных Понятие «база данных». Виды баз данных: реляционная, иерархическая, сетевая. Знакомство с принципами работы баз данных: типы данных, создание таблиц, первичные и вторичные ключи. Запросы к базе данных на языке SQL

3 Разработка клиентских приложений к базе данных: - изучение компонентов (объектов) библиотеки 1ВХ; - механизм транзакций; - принципы работы ИС на основе клиент-серверной архитектуры; - стандарт оформления графического интерфейса; - стандарт оформления исходного кода программы; - интерпретация ошибок (составление памятки) Алгоритмы и методы программирования. Объектно-ориентированное программирование Парадигмы программирования. Структура программы на языке Object Pascal: структура данных, синтаксис, семантика операторов, циклы, процедуры, функции, программы. Среда программирования Delphi 7: создание проекта, свойства объектов и события. Принципы работы с базой данных в клиентском приложении. Динамические и статические запросы на выборку, добавление, изменение и удаление данных из БД. Запросы с параметрами. Механизм связи таблиц «один-ко-многим»

4 Средства (технологии) проектирования информационных систем Технологии проектирования ИС Теоретические основы построения моделей. Введение в язык UML

5 Этапы жизненного цикла ИС: Формирование требований. Проектирование. Реализация. Тестирование. Ввод в эксплуатацию и сопровождение

Большое значение для реализации принципа систематичности и последовательности имеет практическая учебная деятельность студентов, в рамках которой они могут применить теоретические знания. Важность такой связи подчеркивается введением в дидактику самостоятельного принципа связи теории с практикой.

Применительно к теме исследования процесс обучения должен стимулировать студентов к использованию полученных знаний для решения следующих практических задач: формирование требований к ИС; проектирование ИС; разработка структуры базы данных; создание интуитивно понятного предполагаемому пользователю клиентского приложения для работы с базой данных; тестирование ИС и т. д. Демонстрационные примеры технических заданий, оформление исходного кода программы, графических интерфейсов пользователей в соответствии с принципом связи теории с практикой основываются на реально функционирующих информационных системах. Разработаны задания и лабораторные работы, выполнение которых способствует формированию у магистров практических навыков работы с базой данных и созданию клиентских приложений. Отобранный теоретический материал, демонстрационные примеры и задания направлены на развитие у студентов готовности к решению перечисленных выше задач.

Кроме указанных принципов отбора содержания обучения, концептуальной основой разработанной методики является компетентностный подход, который ориентируется на вышеприведенные принципы, обогащает их, наполняет новым содержанием. В рамках данного подхода целью профессиональной подготовки современного специалиста, задаваемой в виде совокупности ожидаемых результатов, выступает становление профессиональной компетентности. При проектировании содержания обучения в логике компетентностного подхода единицей построения содержания является профессиональная задача [11]. Анализ образовательных стандартов, интернет-ресурсов, литературы и личный опыт автора позволили выделить следующие группы профессиональных задач, которые определяют содержание обучения проектированию и созданию информационных систем:

- готовность проектировать и разрабатывать информационные системы, в том числе ИС управления образовательным процессом и учреждением, используя современные средства проектирования;

- готовность осуществлять взаимодействие с заказчиками/исполнителями на различных этапах создания информационной системы (выявление требований к ИС, представление проекта ИС за-

казчику, обучение пользователей и осуществление технической поддержки системы, администрирование базы данных);

- готовность оценивать и внедрять различные ИС, связанные с образовательным процессом.

В соответствии с принципом личностно ориентированного подхода была разработана структура лабораторных работ, включающая: тему, цель, задание (краткое описание разрабатываемой ИС), этапы работы (основные этапы, которые необходимо выполнить для создания базы данных и разработки приложения), подробные указания по созданию проекта. Выполнение лабораторных работ формирует у студента основные навыки и умения создания ИС, необходимые для дальнейшего выполнения индивидуальных заданий. Обучающийся может выбрать индивидуальное задание, более близкое к его интересам и будущей профессиональной деятельности.

На основе дидактических принципов было отобрано содержание обучения, выделены учебные блоки подготовки магистров педагогического образования к решению профессиональных задач, связанных с проектированием и созданием информационных систем (табл. 2).

Блок «Введение в информационные системы» знакомит студентов с общими требованиями к ИС, моделями жизненного цикла (ЖЦ) ИС. На этом этапе актуализируются знания студентов, полученные в бакалавриате, формируется целостное представление о понятии «жизненный цикл ИС». Рассматриваемый в данном блоке материал служит основой для последующего формирования у студентов навыков проектирования и создания ИС.

Блок «Проектирование и создание баз данных» является ключевым, формирует у студентов как теоретические знания в области проектирования БД, так и практические навыки работы с соответствующим инструментарием. Содержательно блок основывается на дисциплине бакалавриата «системы управления базами данных», в рамках которой формируются основные знания о типах данных, структуре и механизмах работы с таблицами в локальных реляционных базах данных, навыки создания и использования БД.

Все данные в реляционной базе данных хранятся в однородных таблицах. От правильности проектирования таблиц зависит простота эксплуатации созданной базы данных, возможность ее развития в дальнейшем. Для получения «правильных» таблиц применяется процесс нормализации БД [3]. Знакомство с ним поможет студентам научиться проектировать «правильные» таблицы.

В данном блоке студенты изучают новые составляющие базы данных (хранимые процедуры, триггеры), позволяющие реализовать часть логики ИС

Таблица 2

№ Учебный блок Темы учебного блока

1 Введение в информационные системы - Проблемы разработки современных ИС; - понятие «жизненный цикл ИС»; - каскадная модель жизненного цикла; - поэтапная модель жизненного цикла с промежуточным контролем; - спиральная модель жизненного цикла; - стандарты, связанные с проектированием и созданием ИС

2 Проектирование и создание баз данных - Нормализация модели базы данных; - СУБД InterBase и область его применения; - создание баз данных с помощью программного средства IBExpress; - создание и использование триггеров, хранимых процедур; - использование функций агрегирования и суммирования в SOL-запросах

3 Разработка клиентских приложений к базе данных - Клиент-серверная архитектура ИС; - компоненты библиотеки IBX; - механизм транзакций; - стандарт оформления исходного кода программы; - графический интерфейс пользователя; - работа с BLOB-полями

4 Средства проектирова- ния информаци- онных систем - CASE-средства; - язык UML; - диаграмма вариантов использования как способ отображения требований к функционалу проектируемой ИС; - диаграмма классов как модель организации БД; - диаграмма состояний как модель функционирования ИС; - графический редактор StarUML

5 Этапы жизненного цикла ИС - Формирование требований к ИС, сложности взаимодействия с заказчиком, методы исследования предметной области; - проектирование ИС, использование UML на этапе проектирования ИС; - реализация ИС; - тестирование ИС, различные методы тестирования; - создание версии ИС; - руководство пользователя и программиста; - обучение пользователей; - сложности внедрения ИС в организации-заказчики

на уровне БД, за счет чего существенно повышается производительность ИС, в том числе сетевых.

Содержание блока «Проектирование и создание баз данных» является основой для дальнейшего изучения этапов жизненного цикла ИС. На практических занятиях студенты знакомятся с современным программным средством создания и администрирования баз данных IBExpress, которое в дальнейшем магистры будут использовать при самостоятельном создании проекта ИС.

Блок «Разработка клиентских приложений к базе данных» связан с этапом реализации ИС. Здесь студенты на основе проекта информационной системы разрабатывают готовый программный продукт и тестируют его. Третий учебный блок развивает готовность магистров к профессиональной разработке клиентских приложений.

Наиболее востребованными на сегодняшний день являются сетевые ИС на основе архитектуры клиент-сервер, предназначенные для хранения и обработки больших объемов структурированных данных, оперативного получения итоговых статистических данных для принятия обоснованных управленческих решений. Ключевую роль в реализации архитектуры клиент-сервер играет механизм транзакций, обеспечивающий корректность работы многопользовательских систем в условиях единой базы данных. Концепция транзакций предполагает объединение операторов языка программирования или команд SQL в «пакеты» (наборы) и возможность подтвердить результаты выполнения всего пакета команд или отменить их. Корректное распределение блоков операторов по транзакциям может существенно повысить надежность работы ИС, и, наоборот, ошибочные связи приведут к неустойчивой и некорректной работе системы [5]. Это новый для магистров материал и, как показывает практика, непростой для усвоения. Для пояснения механизмов работы транзакций целесообразно разработать специальные демонстрационные примеры, иллюстрирующие сущность и особенности выполнения операций, распределенных по транзакциям.

Следующий важный аспект разработки - следование стандарту оформления программного кода, набору правил и соглашений, используемых при написании исходного кода на некотором языке программирования [9]. Наличие общего стиля программирования облегчает понимание и поддержание исходного кода программы, написанного несколькими программистами, помогает сотрудничеству групп программистов при разработке ИС. Для развития у магистров готовности к коллективной разработке клиентского приложения необходимо рассмотреть основные принципы оформления программного кода, показать на демонстрационных примерах, как удобно и легко работать с кодом, оформленным согласно стандартам.

На этапе реализации ИС не только кодируют, но и создают графический интерфейс пользователя. Важной составляющей блока «Разработка клиентских приложений к базе данных» является знакомство студентов с принципами построения пользовательского интерфейса. Недостаточно научить магистра программированию, используя новый инструментарий, необходимо сформировать у него представление о важности графического интерфейса пользователя. При создании ИС начинающие разработчики (студенты) ориентированы на реализацию в программе всех требований заказчика к функционалу, а вопросам организации пользовательского интерфейса уделяют мало внимания, в связи с чем интерфейсы многих компьютерных си-

стем вызывают серьезные нарекания пользователей. Данный блок содержит раздел, посвященный принципам построения графического интерфейса пользователей, включающий в себя общепринятые правила и принципы, конкретные примеры, иллюстрирующие профессиональный подход к созданию пользовательского интерфейса.

Блок «Средства проектирования информационных систем» расширяет представления студентов о возможностях использования UML-диаграмм при проектировании ИС, с которыми магистры познакомились при изучении в бакалавриате дисциплины «технологии проектирования ИС». 75 % разработчиков начинают работу над ИС с написания кода программы. Такой подход приводит к большому количеству ошибок на ранних этапах проекта. По результатам некоторых исследований, от 40 до 80 % бюджета типичного проекта ПО расходуется на исправление дефектов, которые появились в нем ранее (до написания кода) [12]. На этапе проектирования ИС осуществляется логическая проработка функциональной и логической архитектуры будущей системы. Этап реализации ИС займет меньше времени, если на первых двух этапах ЖЦ (формирование требований, проектирование) с помощью современных CASE-средств тщательно проработать проект ИС. Изучение данного учебного блока должно расширить представления магистров о возможностях, разнообразии и простоте использования средств проек-

тирования ИС. Полученные умения по созданию UML-диаграмм с помощью программного средства StarUML студенты смогут применить при самостоятельном выполнении учебного проекта.

Назначение блока «Этапы жизненного цикла ИС» - сформировать у студентов целостное представление о сущности, принципах и методах реализации, взаимосвязях всех этапов жизненного цикла ИС. В предыдущих учебных блоках рассматриваются основные понятия, связанные с этапами ЖЦ ИС, изучаются современные средства проектирования и создания ИС. Содержание обучения данного блока должно способствовать систематизации знаний студентов об этапах проектирования и разработки ИС как составляющих единого, целостного процесса. Целесообразно совместно со студентами провести сравнительный анализ назначения этапов, получаемых на выходе результатов, особенностей их реализации и возникающих при этом сложностей. Развитие практических навыков обучающихся происходит в первую очередь в рамках самостоятельной работы по выполнению всех этапов создания ИС при разработке проекта, например, создание ИС для подразделений вуза с управлением учебным процессом.

Цели и ожидаемые результаты обучения магистров педагогического образования разделам информатики, связанным с проектированием и созданием ИС, представлены в табл. 3.

Таблица 3

№ Учебные блоки подготовки магистров Цели Ожидаемые результаты

1 Введение в информационные системы Знакомство с общими требованиями к ИС. Формирование представления о различных моделях жизненного цикла ИС Владение основными понятиями, связанными с проектированием и разработкой ИС, требованиями к ИС

2 Проектирование и создание баз данных Знакомство с СУБД InterBase/Firebird. Формирование навыков проектирования и создания баз данных на основе СУБД InterBase/Firebird Готовность самостоятельно разрабатывать базы данных на основе СУБД InterBase/Firebird

3 Разработка клиентских приложений к базе данных Изучение компонентов библиотеки IBX, принципа работы механизма транзакций. Знакомство со стандартами оформления исходного кода и графического интерфейса пользователя Готовность создавать приложения к базам данных, проектировать графический интерфейс ИС

4 Средства (технологии) проектирования информационных систем Знакомство с языком UML и CASE-средствами проектирования ИС Готовность использовать язык UML и CASE-средства для проектирования ИС

5 Этапы жизненного цикла ИС:

Формирование требований Знакомство с проблемами, возникающими на этапе формирования требований, и способами их решения Готовность формировать требования к ИС и решать проблемы, возникающие на этом этапе

Про ектирование Формирование навыков проектирования ИС с помощью языка UML и CASE-средства StarUml Готовность проектировать информационные системы управления образовательным процессом и использование современных средств проектирования

Реализация Формирование навыков создания ИС на основе клиент-серверной архитектуры Способность создавать клиентские приложения для ИС на основе клиент-серверной архитектуры в составе группы разработчиков

Тестирование Формирование навыков интерпретации ошибок, возникающих при отладке ИС Способность тестировать ИС и исправлять выявленные при тестировании ошибки

Ввод в эксплуатацию и сопровождение Знакомство с работами, проводимыми на данном этапе жизненного цикла ИС Готовность обучать пользователей работать с новой ИС; улучшать ИС и решать технические проблемы, возникающие при их использовании

Апробация разработанного подхода на факуль- создания несложных ИС и дальнейшего совер-

тете математики РГПУ им. А. И. Герцена позволя- шенствования в этой области. Практика показала,

ет сделать вывод, что предложенная методика что большинство обучающихся с интересом

обучения разделам информатики по проектирова- включаются в учебную деятельность, так как на

нию и созданию ИС содействует формированию у реальных примерах знакомятся с новыми аспекта-

студентов вышеозначенных специальных компе- ми создания программного обеспечения, получа-тенций. В результате этого у студентов формиру- ют возможность творчески подойти к решению ется основа, достаточная для самостоятельного задач.

Список литературы

1. Маслова Н. В. Методика обучения студентов проектированию и разработке информационных систем с использованием метода проектов. URL: http://www.emissia.org/offlme/2010/1486.htm

2. Педагогика. Учеб. пос. для студ. пед. вузов и пед. колледжей / под ред. П. И. Пидкасистого. М.: Педагогич. общ-во России, 1998. 640 с.

3. Бондарь А. Г. InterBase и Firebird. Практическое руководство для умных пользователей и начинающих разработчиков. СПб.: БХВ-Петер-бург, 2007. 592 с.

4. Гайдамакин Н. А. Автоматизированные информационные системы, базы и банки данных. Вводный курс: учеб. пос. М.: Гелиос АРВ, 2002. 368 с.

5. Ковязин А., Востриков С. Мир InterBase. Архитектура, администрирование и разработка приложений баз данных в InterBase/Firebird/ Yaffil. Изд. 4-е. М.:Кудиц-образ; 2006. 496 с.

6. Рудаков А. В. Технология разработки программных продуктов: учеб. пос. для студ. сред. проф. обр. 2-е изд. М.: Издат. центр «Академия», 2006. 208 с

7. Скляр А. Я. Введение в InterBase. М.: Горячая линия - Телеком, 2002. 517 с.

8. Якобсон А., Буч Г., Рамбо Дж. Унифицированный процесс разработки программного обеспечения. СПб.: Питер, 2002. 496 с

9. Ткаченко А. В. Стандарт стилевого оформления исходного кода Delphi. URL: http://citforum.ru/programming/delphi/style_delphi

10. Коменский Я. А. Избранные педагогические сочинения. М., 1955. С. 302.

11. Радионова Н. Ф., Тряпицына А. П. Перспективы развития педагогического образования: компетентностный подход // Академич. вестн. Ин-та образования взрослых Российской академии образования «Человек и образование» № 4, 5. 2006.

12. Карл И. Вигерс. Разработка требований к программному обеспечению / пер.с англ. М: Издат.-торг. дом «Русская Редакция», 2004. 576 с.

Маслова Н. В., специалист по учебно-методической работе 1-й категории, аспирант.

Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена.

Наб. р. Мойки, 48, Санкт-Петербург, Россия, 191186.

E-mail: nata_masl@mail.ru

Материал поступил в редакцию 24.04.2012.

N. V Maslova

THE FORMATION OF THE SPECIAL MASTER COMPETENCIES OF TEACHER EDUCATION,

THE PROFILE OF “COMPUTER SCIENCE” IN THE FIELD OF INFORMATION SYSTEMS

This article presents a list of special competencies Master Teacher Education, the profile “Computer scienc ” in the field of information systems and the content of teaching computer science master’s sections relating to the design and development of information systems.

Key words: information system, life cycle of information system, special competencies, learning content.

Herzen State Pedagogical University of Russia.

Moika Emb., 48, St. Petersburg, Russia, 191186.

E-mail: nata_masl@mail.ru