Аннотация: Компьютерный задачник, в целом, представляет собой образовательное электронное издание, позволяющее с помощью компьютера отработать приемы решения типовых задач, наглядно связать теоретические знания с конкретными проблемами, на решение которых они могут быть направлены. Разработка задачника по параллельным вычислениям необходима для углубления теоретических знаний, получения практических навыков вычисления параллельных задач и их реализации на многопроцессорных ЭВМ. Параллельные вычисления являются одним из элементов вычислительной информатики, предметом исследований которых являются информационные процессы вычислительного характера. Включение его в состав УМК по вычислительной информатике, построенного по гипертекстовой технологии обеспечивает более эффективное обучение по данному направлению информатики. Его гипертекстовая структура позволяет обучающемуся определить не только удобный темп работы, соответствующий психофизиологическим особенностям его восприятия, но и оптимальную траекторию изучения материала, что существенно в современных условиях кредитной системы обучения.
Введение. Главной особенностью новой концепции развития образования в Республике Казахстан является внедрение кредитной системы обучения в организацию учебного процесса, которая позволяет реализовать в вузе подготовку будущих специалистов адекватно современному социальному заказу. Кредитная система направлена на повышение уровня образованности обучающихсяпутем творческого освоения знаний на основе индивидуализации, выборности образовательной траектории в рамках регламентации учебного процесса. Она предполагает такую личностно-ориентированную, интерактивнуюорганизацию учебного процесса в вузе, которая обеспечивает высокий уровень самостоятельной познавательной деятельности студентов.
В этой связи преподавателю надо иметь в запасе богатый арсенал методических материалов и средств, с помощью которыхможноорганизовать плодотворную самостоятельную работу студента по освоению учебного материала, научить его творчески мыслить, развивать способности, постоянно работать над расширением кругозора.
Методы. Особенно целесообразно в условиях кредитной системы использование в обучении современных информационно-коммуникационных технологий и, в частности, образовательных электронных изданий и ресурсов, которые не только обеспечивают в массовом порядке индивидуальный подходк обучению, предоставляют возможность организации проблемного обучения, но и, способствуяусилению мотивации учения и формированию интереса к учебной работе, позволяют активизировать самостоятельную учебно-познавательную деятельность студентов. Ясно, что наибольший дидактический эффект может быть обеспечен только при комплексном их использовании на различных видах занятий в информационно-поисковой, экспериментально-исследовательской и самостоятельной учебной деятельности обучаемых по обработке информации, представлению и извлечению знаний.
Практическая реализация комплексного использования возможностей средств ИКТ в учебном процессе может быть достигнута за счет разработки и применения многофункциональных компьютерных учебно-методических комплексов (УМК) нового поколения по каждой дисциплине или направлению, представляющих собой «многокомпонентную совокупность взаимосвязанных унифицированных электронных средств учебного иметодического назначения» [1].Использование УМК предоставляет обучаемому возможность в удобном для него индивидуальном темпе изучать теорию, проводить экспериментальные исследования, приобретать практические навыки и умения путем тренировочных действий.
Результаты и обсуждение. Основными информационными ресурсами, размещенными в УМК нового поколения и используемыми в системе образования, могут быть различные образовательные электронные ресурсы, такие как электронные учебники и тренажеры, электронные лабораторные практикумы, компьютерные задачники, электронные справочники, энциклопедии, средства автоматизированного контроля знаний и т.д.В последнее время их создание привлекает внимание не только разработчиков, педагогов и исследователей, работающих в различных областях информатизации образования, но и становится обсуждаемой и востребованной на государственном уровне.Разработкаи использование образовательных электронных изданий и ресурсов определено даже в качестве одного из основных направлений стратегии информатизации всех форм и уровней образования в Республике Казахстан. Интерес этот, разумеется, вызван, прежде всего, небезосновательными ожиданиями повышения эффективности и качества подготовки специалистов до уровня, достигнутого в развитых странах.
Компьютерные УМК, включающие в себя различные электронные образовательные издания, в качествеинформационных ресурсов,в равной степени востребованы в любой предметной дисциплине вообще и в обучении вычислительной информатике [2] в частности, предметом исследования которойявляются информационные процессы вычислительного характера. Наряду с изучением математического аппарата вычислительных задач, включая методологию математического моделирования и вычислительного эксперимента, она включает в себя вопросы исследования и реализации вычислительныхалгоритмов на ЭВМ, в том числе и многопроцессорных, использование которых вызвано, прежде всего, практически постоянным существованием вычислительных задач, для решения которых возможностей обычных последовательных ЭВМ оказывается недостаточно. Более того, на сегодняшний день развитие вычислительной техники с необходимостью подкрепляется совершенствованием технологий параллельного программирования, ее алгоритмической и программной компонент.
Ясно, что иметь представление и понимать возможности реализацииалгоритмов не только в традиционной последовательной модели вычислений, но и в различных параллельных моделях, важно в первую очередь, для специалистов в области информатики, в том числе и будущих учителей информатики, в программу подготовки которых уже входят данныевопросы.Идеи параллельных вычислений и параллельного программирования, в принципе, могут стать предметом обучения и в школе уже в ближайшие годы, что обусловлено их высокой важностью и потенциалом.В этой связи необходимость разработки и включения вУМК по вычислительной информатике компьютерного задачника по параллельным вычислениям, предназначенного для углубления теоретических знаний, получения практических навыков и умений распараллеливания вычислительных задач и реализации их на многопроцессорных ЭВМ не вызывает сомнений.
Компьютерный задачник,в целом, представляет собойобразовательное электронное издание, позволяющее с помощью компьютера отработать приемы решения типовых задач, наглядно связать теоретические знания с конкретными проблемами, на решение которых они могут быть направлены [3]. Являясь образовательным электронным изданием,он должен включать в себя содержательную, процессуальную, управляющую и диагностическую части, что необходимо учесть при его разработке. Содержательная его часть, в свою очередь, включает в себя познавательную компоненту, представляющую собой теоретическую информацию,направленную на передачу знаний обучаемому. И демонстрационную компоненту, поддерживающую и раскрывающуюпознавательную.
Процессуальная же часть, как правило,включает моделирующую иконтрольно- закрепляющую компоненты. Первая из них позволяет применять знания к решению практических задач, моделировать изучаемые явления и процессы, а контрольнозакрепляющая компонента определяет степень усвоения обучаемыми представленного материала.
Управляющая его часть представляет собой программную оболочку, включающую глоссарий, журнал регистрации и поисковую систему, способную обеспечить взаимосвязь между его частями и компонентами. Диагностическая часть хранит статистическую информацию о работекаждого обучаемого с конкретными темами.
Кроме этого, чтобы разрабатываемый компьютерный задачникдостаточно хорошо вписывался в систему подготовкипо вычислительной информатике и автоматически обеспечивал непрерывность и полноту дидактического цикла процесса обучения, который состоит из таких звеньев, какпостановка познавательной задачи; предъявление содержания учебного материала;применение первично полученных знаний (организация деятельности по выполнению отдельных заданий, в результате которой происходит формирование научных знаний);получение обратной связи, контроль деятельности обучаемых;подготовка к дальнейшей учебной деятельности (задание ориентиров для самообразования, для чтения дополнительной литературы),необходимо учитывать выполнение и следующих требований, предъявляемых к ним:
- как к дидактическому средству: научность, доступность, проблемность, наглядность, систематичность и последовательность обучения; активность и сознательность обучаемых в процессе обучения,прочность усвоения знаний при использовании электронного издания; единство образовательных, развивающих и воспитательных функций обучения;
- как к средству новых информационных технологий: адаптация к уровню подготовки обучаемого и набору изучаемых тем; использование различных типов мультимедиа данных для представления учебного материала; обеспечение удобной системы поиска и навигации; наличие развитой системы контроля знаний в виде интерактивного тестирования; возможность подключения к сетевому учебному серверу для получения консультаций и другой сервисной поддержки.
А также следующих психологических требований: представление учебного материала в них должно строиться с учетом особенностей таких познавательных психических процессов, как восприятие, внимание, мышление, воображение, память и др.; они должны обеспечивать условия комфортного, производительного и безопасного для здоровья труда пользователей.
Содержание разрабатываемого компьютерного задачника тесно связано спрограммойспецкурса «основы параллельных вычислений» для будущих учителей информатики ивключает в себя краткий теоретический материал и комплект задач по разработке параллельных алгоритмов на основе наиболее распространенных функций библиотеки MPI(MessagePassingInterface - интерфейс передачи сообщений). Это – одна из наиболее распространенных на сегодняшний день технологий программирования в параллельных компьютерах с распределенной памятью.
MPI иногда называют «ассемблерным уровнем» в параллельном программировании, основывая это необходимостью максимально подробного описаниявсех необходимых операций обменов данными между частями программы,выполняющимися на отдельных процессорах. При этом распределение данных и вычислений полностью возлагается на программиста и выполняется средствами базового языка программирования, что очень непросто. Возможности MPI реализованы как набор, размещенных в соответствующей библиотеке, MPI-функций. Их освоение представляет обучаемым большие возможности для написания эффективных параллельных программ.
Для успешного использования компьютерного задачника, как в учебном процессе, так и в самостоятельной работе, необходимо, чтобы он включал достаточно представительный набор заданий, охватывающий данные функции.
Следует заметить, что вопросы, касающиеся параллельных вычислений и параллельного программирования, как один из компонентов вычислительной информатики, в подготовке будущих учителей информатики вообще могут быть представленыв виде содержательной линии. Причем часть вопросов, связанных с разработкой, анализом и реализацией параллельных алгоритмов может с успехом рассматриватьсяв курсе «численные методы», являющейся ядром вычислительной информатики, в котором как раз достаточно много задач, обладающих значительной потенциальнойвозможностьюраспараллеливания. В этой связи целесообразно включение в задачник вычислительных задач, рассматриваемых в данном курсе.
На основанииизложенного, в разработанный компьютерный задачник по параллельным вычислениям, включены следующие основные компоненты:
Если стандартная схема решения задачи на ЭВМ содержит такие этапы, как: 1) постановка задачи;
- построение математической модели;
- разработка алгоритма;
- программирование;
- тестирование и отладка;
- анализ результатов решения задачи и уточнение в случае необходимости математической модели с повторным выполнением этапов 2-5;
- сопровождение программы, то с учетом специфики параллельных вычислений в эту схему «необходимо вписать еще четыре пункта:информационный анализ; распараллеливание процессов;конструирование параллельной программы и оценка эффективности параллельной программы» [4].
Включение в стандартную схему решения задачиинформационного анализа позволяет выяснить те части программы, выполнение которых возможно организовать параллельно, независимо друг от друга. Следует заметить, что потенциальная возможность распараллеливания неодинакова для вычислительных задач различного типа – она значительна для задач, содержащих много циклов и длительных вычислений, и существенно меньше для задач, для которых характерен расчет по эмпирическим формулам.
Распараллеливание же процессов позволяет предположить, сколько процессов на скольких процессорах нужно использовать для решения задачи. Для этого используются результаты информационного анализа, произведенного на предыдущем этапе.
Конструирование параллельной программы предполагает выбор конкретного языка программирования и реализации в его рамках разработанного алгоритма.В случае выбора технологии MPIна данном этапе происходит выбор конкретных функций (синхронных или асинхронных, индивидуальных или коллективных), выбор виртуальной топологии, с помощью которых программа сможет выполнить поставленную задачу. К примеру, программу численного интегрирования можно написать с помощью функций коллективных обменов и парного обмена с использованием цикла, но функции, относящиеся к классу коллективных обменов, как правило, эффективнее. Такие моментыи все этапы решения задачидемонстрируется в задачнике в интерактивном и обучающем режиме с использованием мультимедийных технологий.
Важными особенностями разработанного компьютерного задачника является то, что
- он содержит в сжатой форме тщательно структурированный теоретический учебный материал (основные понятия, определения, формулы, схемы и т.д.), предоставляемый обучаемому в виде последовательности интерактивных кадров и поэтому при пользовании задачником не требуется дополнительных пособий, вся необходимая помощь предоставляется на экране монитора;
- задачи хранятся в базе, которую можно,по мере необходимости, дополнять, корректировать, модифицировать;
- наглядность в нем значительно выше, чем в печатном варианте и обеспечивается использованием мультимедийных технологий:анимации, звукового сопровождения, гиперссылок, видеосюжетов и т.п.;
- контрольные вопросы и задания для проверки знаний представлены в интерактивном и обучающем режиме;
- имеется возможностькорректировать ответ, вводить его несколько раз, использовать вспомогательную таблицу для быстрого формирования ответа;
- индивидуальные задания в нем интегрированы с журналом учета работы обучаемого, что позволяет сохранить результаты работы каждому обучаемому.
Заключение. Включение его в состав УМК по вычислительной информатике, построенногопо гипертекстовой технологии обеспечивает более эффективное обучение по данному направлению информатики. Гипертекстовая его структура позволяет обучающемуся определить не только удобный темп работы, соответствующий психофизиологическим особенностям его восприятия, но и оптимальную траекторию изучения материала, что существенно в современных условиях кредитной системы обучения.
Список использованных источников:
- Абдраимов Д.И, Бидайбеков Е.Ы., Гриншкун В.В., Камалова Г.Б. Теоретикометодологические основы разработки, мониторинга качества и экспериментальной апробации компьютерных учебно-методических комплексов нового поколения. Алматы, 2005.–146с.
- Вычислительная информатика в фундаментальной подготовкеучителей информатики // Материалы Международной научно-практической конференции Информатизация образования- 2007. Часть 2. – Калуга, 2007. –С.121-131.
- В.П. Демкин, Г.В. Можаева.Классификация образовательных электронных изданий: основные принципы и критерии. Методическое пособие для преподавателей// http://www.ict.edu.ru/ft/003621/dict.html. – Томск, 2003.
- Анисимова Н.С., Слива М.В. Этапы решения задачи на ЭВМ при параллельном программировании //Информатика и образование, 2007. – №2. –С.68-70.