Необходимость общего решения проблем информатизации управления учебным процессом вуза признана многими исследователями [1–3]. Частные решения проблемы представлены в [4, 5]. Отмечена необходимость комплексного, интегрированного подхода для решения указанных проблем на основе единой базы данных [6], центральное место в которой должны занимать учебные планы [2]. Один из вариантов интегрированного решения с возможностями автоматической или интерактивной работы в централизованном или децентрализованном режимах представлен в [7].
Предварительные этапы проектирования базы данных информационной системы должны включать формирование и анализ требований с последующим концептуальным моделированием, определяющим структуру моделируемой системы, свойства её элементов и причинно-следственные связи, присущие системе и существенные для достижения цели моделирования [8]. Один из ведущих в мире специалистов в области концептуального моделирования полагает, что информационная система может быть задана на шести уровнях абстракции: стратегическом уровне, уровне обработки требований, бизнес-уровне, концептуальном уровне, уровнях реализации и использования [9]. «Концептуальный уровень ориентирован на интегрирование концептуальных спецификаций структуры, функциональности, распределения и интерактивности. Результатами проектирования на концептуальном уровне являются схема базы данных, последовательность выполняемых действий...» [9]. В одной из последних публикаций [10] им же акцентировано внимание на ментальной составляющей концептуальной модели.
Концептуальное моделирование связано с определением относительной структуры объектов проектируемой базы данных. Для решения этой проблемы предложено использование двух абстракций = обобщения и агрегации [11]. Наиболее важной абстракцией является агрегация, представляющая отношение между объектами предметной области, что соответствует декартовому произведению первичных ключей объектов, а в базе данных представляет связь «многие-ко-многим» между объектами. Агрегация часто имеет реальный физический смысл в виде объекта. Определение и анализ абстракций базы данных проектируемой информационной системы зависят от ментальных способностей разработчика. Данная статья может служить иллюстрацией использования агрегаций в концептуальном моделировании.
Цель исследования: концептуальная модель интегрированной системы управления учебным процессом вуза на основе абстракций баз данных.
Материалы и методы исследования
Опыт разработки программных средств, поддерживающих управление учебным процессом [12, 13], позволил определить пять ключевых агрегаций [14] проекта интегрированной информационной системы управления учебным процессом вуза (рис. 1).
Рис. 1. Ключевые агрегации проекта: а) структура наследования; б) диаграмма агрегаций
Агрегации на рис. 1 представлены в нотации UML для диаграмм классов. Агрегации образуют иерархическую древовидную структуру наследования с одним корнем (рис. 1), которым является агрегация «Рабочий учебный план», что согласуется с точкой зрения о первичности учебных планов в организации и управлении учебным процессом вуза [2]. Общение с опытными разработчиками информационных систем подтвердило наличие древовидных структур наследования агрегаций. На диаграмме (рис. 1, б) названия компонент, включаемых в структуру наследников или изменяемых в процессе наследования, выделены более светлым цветом.
В концептуальном моделировании очень важно точное и однозначное определение смысла используемых концепций, понятий и терминов [10]. Содержание имен агрегаций и их отдельных компонент (рис. 1) состоит в следующем:
Агрегация «Рабочий учебный план». В контексте интегрированной системы – это информационная структура, в которую включены все учебные планы специальностей и направлений всех форм обучения вуза для конкретного учебного года. Объединение информации учебных планов необходимо для последующей централизованной обработки.
Компоненты агрегации:
– название – название нагрузки учебного плана (название дисциплины, вид практики, курсовое или дипломное проектирование);
– учебный год – учебный год, для которого осуществляется планирование учебного процесса. Данная компонента позволяет формировать централизованную базу данных вуза, в которой скапливается вся информация за годы эксплуатации системы;
– семестр – порядковый номер семестра учебного плана, семестр выполнения нагрузки. Для расписаний занятий и экзаменов семестр может иметь двузначное толкование – осень/весна или зима/лето;
– вид нагрузки – вид аудиторной нагрузки (лекция, семинар, практическое или лабораторное занятие, зачет, экзамен) или вид внеаудиторной нагрузки (руководство практикой, курсовым или дипломным проектом, консультация);
– кафедра – кафедра, ответственная за выполнение нагрузки учебного плана;
Агрегация «Учебная нагрузка» – рассчитанный объем учебной нагрузки кафедр вуза для учебного года и определенного контингента студентов;
Компоненты агрегации:
– поток – объединение нескольких групп для реализации некоторых видов нагрузки;
– группа – академическая группа;
– подгруппа – объединение нескольких студентов группы для реализации некоторых видов нагрузки, например занятий по иностранному языку или по информатике;
– Агрегация «Индивидуальная на- грузка»:
– преподаватель – преподаватель кафедры, которому запланировано выполнение нагрузки в данном учебном году.
– Агрегация «Учебное поручение» – информационная структура, формируемая на основе индивидуальной нагрузки преподавателя;
– Компоненты агрегации:
– название – для данной агрегации название дисциплины;
– вид нагрузки – для данной агрегации лекция, семинар, практическое или лабораторное занятие, зачет, экзамен;
– Агрегация «Занятие расписания».
Компоненты агрегации:
– день недели – день проведения занятия;
– признак недели – признак одной из двух недель расписания занятий вуза;
– таймслот – «пара» проведения занятия;
– аудитория – аудитория проведения занятия.
Возможно рассмотрение агрегации «Экзамен расписания», во многом повторяющей агрегацию «Занятие расписания».
После установления смысла агрегаций и их компонент диаграмма ключевых агрегаций (рис. 1) может рассматриваться как предварительная концептуальная модель предметной области управления учебным процессом вуза. Анализ этой модели позволяет сделать следующие предварительные выводы:
– имена агрегаций и их компонент могут стать именами объектов базы данных;
– формирование каждой ключевой агрегации может стать задачей отдельного модуля интегрированной системы;
– переходы между уровнями наследования ключевых агрегаций определяют последовательность выполнения модулей системы.
Формирование ключевых агрегаций связано с включением в них дополнительных агрегаций (рис. 2, а).
Для расчета учебной нагрузки кафедр вуза необходимо предварительное формирование дополнительной агрегации «Поток, группа, подгруппа», содержание компонент которой уже определено ранее. Распределение индивидуальной нагрузки возможно только после расчета штатного расписания профессорско-преподавательского состава (ППС) и формирования дополнительной агрегации «ППС кафедры». То есть модуль расчета штатного расписания должен быть включен в состав интегрированной системы. Используемая в таком модуле методология может быть как традиционной с фиксированными объемами нагрузки для каждой единицы ППС, так и с использованием других подходов [4]. Для разработки расписаний занятий и экзаменов необходимо формирование дополнительной агрегации «"Сетка" расписания». Все три дополнительные агрегации формируются для конкретного учебного года. Роль дополнительных агрегаций заключается в последовательном перенесении их информации в ключевые агрегации.
Для организации работы интегрированной системы предлагаются две вспомогательные агрегации «Структура вуза» и «Дисциплина-поток» (рис. 2, б). Первая необходима для организации ввода исходных данных, в нее включены идентификаторы всех учебных планов специальностей и направлений всех форм обучения вуза для конкретного учебного года. Объединение информации об учебных планах необходимо для организации последующей централизованной обработки.
Рис. 2. Концептуальная модель проекта: а) диаграмма ключевых и дополнительных агрегаций; б) вспомогательные агрегации
Агрегация «Структура вуза».
Компоненты агрегации:
– факультет/институт – структурные подразделения, осуществляющие образовательную деятельность вуза;
– направление/специальность – основ- ные образовательные программы вуза в учебном году;
– форма обучения – бюджетная/компенсационная (внебюджетная), смешенная – для академических групп, в которых обучаются студенты разных форм обучения;
– курс – курс образовательной программы направления/специальности вуза;
– семестр – семестр курса.
Агрегация «Структура вуза» в интегрированной системе играет двойную роль. Во-первых, агрегации «Структура вуза» и «"Сетка" расписания» являются объектами концептуального планирования, а их формирование перед началом учебного года является прерогативой руководства вуза и определяет многие аспекты организации учебного процесса [6]. Во-вторых, использование агрегации «Структура вуза» в качестве источника строк для форм пользовательского интерфейса обеспечивает процедуру ввода исходных данных.
Унификация процедур расчета учебной нагрузки на планируемый учебный год обеспечивается введением вспомогательной агрегации «Дисциплина-поток» (рис. 2, б), объединяющей первичные ключи дисциплины учебного плана и потока академических групп, обучающихся по соответствующей образовательной программе.
Представленные десять агрегаций образуют окончательную концептуальную модель проекта интегрированной системы управления учебным процессом вуза (рис. 2).
Агрегации модели и их компоненты определяют схему базы данных проекта интегрированной системы. На рис. 3 представлен фрагмент схемы базы данных существующей информационно-управляющей системы (ИУС) Саратовской государственной юридической академии, отдельные решения которой будут иллюстрировать дальнейший материал статьи в качестве макетов.
Рис. 3. Фрагмент схемы базы данных ИУС [14]
Рис. 4. Бланк запроса, формирующего агрегацию «Структура вуза»
Рис. 5. Форма ввода исходной информации для расчета учебной нагрузки кафедр
На рис. 4 представлен бланк запроса, формирующего агрегацию «Структура вуза», которая использована в качестве источника строк формы ввода исходной информации (рис. 5). Форма (рис. 5) обеспечивает создание агрегаций «Рабочий учебный план», «Поток, группа, подгруппа», «Дисциплина-поток» с помощью подчиненных форм соответствующих вкладок.
Примеры применения агрегации «Дисциплина-поток» для расчета учебной нагрузки кафедр приведены в [14].
Заключение
Представлены десять агрегаций, формирующих концептуальную модель предметной области управления учебным процессом вуза. Модель позволяет интегрировать задачи управления учебным процессом вуза.