Функциональное моделирование учебного процесса первого года обучения с декомпозицией и оптимизацией взаимодействия

МОДУЛЬ 2. ЭТАПЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА Лабораторная работа № 2. Описание системы как «Черного ящика». Декомпозиция систем Модель «черного ящика» Термин «Черный ящик» широко применяется в кибернетике при представлении изучаемого объекта моделью «вход - выход», показанной на рисунке 2.1. Рис. 2.1 Модель «черного ящика». Понятие «чёрный ящик» предложено У.Р. Эшби. В кибернетике оно позволяет изучать поведение систем, то есть их реакций на разнообразные внешние воздействия и в то же время абстрагироваться от их внутреннего устройства [1]. Модель типа «черный ящик» можно реализовывать различными спосо-бами. Были модели, в которых измерялось количество входных и выходных воздействий. Выбирались последовательности входных воздействий, случай¬ных и направленных. Формировались векторы «входов» и «выходов». На ос¬нове протоколов испытаний разрабатывались прогнозы поведения системы, рекомендации по корректировке управляющих воздействий и т.п. В некото¬рых моделях «выходы» рассматривались как цели и осуществлялся поиск входных управляющих воздействий, обеспечивающих достижение целей. То есть система изучается не как совокупность взаимосвязанных элементов, а как нечто целое, взаимодействующее со средой на своих входах и выходах. Метод «черного ящика» применим в различных ситуациях. Этот способ используется при недоступности внутренних процессов системы для исследования, при исследовании систем, все элементы и связи которых в принципе доступны, но либо многочисленны и сложны, что приводит к огромным затратам времени и средств при непосредственном изучении. Декомпозиция - метод математического описания систем Основной операцией анализа является представление целого в виде частей. В результате анализа решаемые системой задачи разбиваются на подзадачи, системы на подсистемы, цели на подцели. Процесс разбиения продолжается, пока не удается представить соответствующий объект в виде совокупности элементарных компонентов, целевой функции объекта - в ви¬де последовательности подцелей. Каждой подсистеме ставится в соответ¬ствие подцель и наоборот. В этом заключается смысл декомпозиции - для отдельных подсистем объекта проще составить математическое описание. Далее математическое описание объекта представляется как совокупность математических описаний подсистем. Так, в технических системах декомпозиция проводится таким обра¬зом, чтобы функционирование каждого элемента объекта, полученного в результате декомпозиции, определялось одной физической, физико¬химической или какой-либо другой зависимостью, т.е. описывалось одним уравнением. В человеко-машинных системах цели достигаются в результате сов-местной работы технических систем и производственного персонала, осу-ществляющих производственную деятельность и определяющих направ¬ление функционирования технических средств. Такие системы имеют осо¬бенности: целенаправленность, наличие неопределенности, активность, вызванные наличием человека в системе. В качестве рекомендаций при математическом моделировании таких систем можно предложить разделе¬ние функций технической части системы и человека, принимающего ре¬шения по функционированию системы. При декомпозиции объекта требуется соблюдать правило, по кото¬рому необходимо сопоставлять модель объекта с моделью цели и наобо¬рот. Если цель заключается в определении показателей надежности и без¬опасности функционирования объекта, то соответствующая модель должна быть моделью надежности или безопасности. В результате декомпозиции должно получаться столько частей, сколько элементов содержит модель, взятая в качестве основания. Под ос¬нованиями декомпозиции понимается совокупность элементов системы (частей), вглубь которых не проникает описание, т.е. они являются услов¬но неделимыми. Качество построенных структур зависит от применяемой методики декомпозиции. При этом набор частей должен быть, с одной стороны, пол¬ным, а с другой - не должен быть избыточным. Алгоритм декомпозиции как способ упрощения сложного заключа¬ется в следующем: 1. Определение объекта анализа (все, что угодно - любое высказы¬вание, раскрытие смысла которого требует структурирования). 2. Определение целевой системы (определить, зачем нужно то, что мы собираемся делать; в качестве целевой выступает система, в интересах которой осуществляется анализ). 3. Выбор формальных моделей (набор фреймов и правил перебора). 4. Определение модели основания (строится с помощью классифика¬торов на основании изучения целевой системы). 5. Очередной объект декомпозиции анализируется. 6. Осуществляется процедура декомпозиции. 7. Анализируются полученные фрагменты. 8. Проверка очередного фрагмента на элементарность. 9. Проверка использования всех фреймов. 10. Проверка: все ли основания детализированы. 11. Отчет: окончательный результат в форме граф-схемы или структу¬ры. В реализации приведенного алгоритма компромисс достигается с помощью понятий существенного (необходимого), элементарного (доста-точного), а также постепенной нарастающей детализацией базовых моде¬лей и итеративности алгоритма декомпозиции. Варианты заданий к практическим занятиям Вариант 1-й. Разработать функциональную модель организации учебного процесса для 2-го года обучения с момента перевода на второй курс. За базовую структуру принять функциональную модель (Рисунок 2.2). Разработать второй уровень декомпозиции блока перевода с 1-го на 2-й курс. Предусмотреть возможность продления сессии (по уважительной причине) и возможность перевода со специальности на специальность по следующему алгоритму: - заявление на имя ректора; - получение согласия кафедры и деканата (откуда и куда перево¬дится); - при наличии согласия проректор издает приказ о переводе, про-изводится изменение названия специальности и номера группы. Вариант 2-й. Разработать функциональную модель организации учебного процесса с учетом включения в учебный план практических и лабораторных работ. За базовую структуру принять функциональную модель. Разработать второй уровень декомпозиции блока организации и регистра¬ции с учетом дополнительного посещения лабораторных работ и практи¬ческих занятий. Рис. 2.2 Модель типа «черный ящик» организации учебного процесса в университете (1-го года обучения). Алгоритм: 1. Преподаватель отмечает посещение лабораторных и практических занятий. 2. В случае уважительного пропуска организуются дополнительные работы в течение семестра. 3. Беспричинный пропуск - отработка в конце семестра. 4. Три пропуска подряд вызывают недопуск к сессии. Вариант 3-й. Разработать функциональную модель организации учебного процесса с учетом включения в учебный план курсовой работы. За базовую структуру принять функциональную модель (см. рис. 2.2). Разработать второй уровень декомпозиции блока организации и регистра¬ции с учетом дополнительного посещения консультаций по курсовому проектированию. Алгоритм: 1) преподаватель отмечает посещение консультации; 2) в случае уважительного пропуска организуются консультации в течение семестра; 3) три беспричинных пропуска подряд вызывают недопуск к защите курсовой работы. Вариант 4-й. Разработать функциональную модель организации учебного процесса с учетом возможности приобретения учебной литерату¬ры за свой счет. За базовую структуру принять функциональную модель (см. рис.2.2). Разработать второй уровень декомпозиции блока получения литературы в библиотеке. Алгоритм: 1) по номеру читательского билета заполняется личная карточка; 2) составляется требование на литературу; 3) заполняется формуляр. Вариант 5-й. Разработать функциональную модель организации учебного процесса для 1-го года обучения с момента зачисления на первый курс. За базовую структуру принять функциональную модель (см. рис. 2.2). Разработать второй уровень декомпозиции блока. Предусмотреть обслу-живание студентов в читальном зале университета и проведение текущей аттестации по следующему алгоритму: 1) учебное пособие определяет лектор в соответствии с содержани¬ем лекции; 2) библиотекарь обслуживает студента; 3) аттестацию проводит лектор по прочитанному лекционному ма-териалу, а деканат принимает организационные решения. Вариант 6-й. Разработать функциональную модель организации учебного процесса в университете. За базовую структуру принять функци-ональную модель (см. рис. 2.2). Разработать второй уровень декомпозиции блока. В конце первого учебного года организуется вычислительная прак¬тика по следующему алгоритму: 1. Издается приказ о командировании студентов на практику в дру¬гие организации, назначается преподаватель для руководства практикой. 2. Во время практики студент осваивает навыки работы с компью-тером, ведет записи в дневнике. 3. Руководитель контролирует посещение студентом рабочего места и выполняемую работу. 4. В конце практики студент оформляет отчет по практике и сдает зачеты преподавателю. Преподаватель заполняет ведомость сдачи зачетов и делает запись в зачетной книжке студента. Вариант 7-й. Разработать функциональную модель обучения студен¬тов по индивидуальному плану. За базовую структуру принять функцио¬нальную модель (см. рис. 2.2). Разработать второй уровень декомпозиции блока. Алгоритм: 1. Студент пишет заявление на имя декана о разрешении перехода на индивидуальную форму обучения. 2. Преподаватели кафедры выдают задания и планы на индивидуаль¬ную форму обучения. 3. Студент по индивидуальному плану сдает преподавателю выпол-ненные задания и проходит текущую аттестацию; в конце учебного се¬местра студент сдает экзамены вместе со своей группой. 4. Преподаватель выставляет оценку в экзаменационной ведомости и зачетной книжке студента. Вариант 8-й. Разработать функциональную модель сдачи студентом экзаменов по дисциплине. За базовую структуру принять функциональную модель (см. рис.2.2). Разработать второй уровень декомпозиции блока. Сдача экзаменов проводится по следующему алгоритму: 1. Студент повторяет пройденный теоретический материал в процес¬се подготовки к экзаменам по конспектам лекций и учебникам. 2. Преподаватель проводит консультацию, отвечает на вопросы сту-дентов. 3. Преподаватель экзаменует студента в письменной форме. Студент заполняет экзаменационный лист и пишет ответы на заданные вопросы. 4. Преподаватель выставляет оценку в экзаменационном листе, экза-менационной ведомости и в зачетной книжке студента. 5. Деканат анализирует итоги экзаменационной сессии, издает рас-поряжение с указанием сроков ликвидации задолженностей по сессии. Вариант 9-й. Разработать функциональную модель обучения студен¬тов по форме экстерната. За базовую структуру принять функциональную модель (см. рис. 2.2). Разработать второй уровень декомпозиции блока. Обучение проводится по следующему алгоритму: 1. Абитуриент сдает вступительные экзамены. 2. При положительных итогах вступительных экзаменов абитуриент заключает контракт с университетом и вносит в кассу плату за обучение. 3. Приказом по университету абитуриент зачисляется на обучение в университет. Получает контрольные задания от преподавателей для изуче¬ния дисциплин. 4. Студент в течение семестра высылает контрольные задания в де¬канат для проверки. 5. Преподаватель проверяет контрольные задания и делает отметки об их выполнении в журнале. 6. Во время установочной сессии студент прослушивает теоретиче¬ский курс, выполняет лабораторные работы. 7. По расписанию сдает экзамены. Преподаватель выставляет оценки в экзаменационном листе и зачетной книжке студента. 8. В конце учебного года издается приказ по университету о перево¬де студента на следующий курс обучения. Вариант 10-й. Разработать функциональную модель избрания на ва-кантную должность доцента кафедры. За базовую структуру принять функциональную модель (см. рис. 2.2). Разработать второй уровень деком-позиции блока. Избрание проводится по следующему алгоритму: 1. Университет объявляет конкурс на вакантную должность доцента, объявление публикует в газете. 2. Претендент пишет заявление на имя ректора о допуске к конкурсу, прикладывает необходимые документы об образовании, звании, личный листок по учету кадров, трудовую книжку, военный билет. 3. Кафедра рассматривает документы претендентов и делает заклю-чение о профессиональном соответствии соискателей. 4. Совет факультета проводит процедуру избрания. Тайным голосо-ванием избирается претендент на вакантную должность. 5. Отдел кадров выносит документы на ректорат. Ректорат принима¬ет решение о заключении контракта с избранным лицом. 6. Ректор издает приказ о приеме на работу, подписывает контракт с избранным лицом. Контрольные вопросы 1. Перечислите способы реализации модели типа «черный ящик». 2. В каких ситуациях применяется метод «черного ящика» при ана¬лизе информационной системы (ИС)? 3. В чем заключается смысл декомпозиции сложных информацион¬ных систем? 4. Как проводится декомпозиция сложных технических систем? 5. Что понимается под основаниями декомпозиции и как оно исполь-зуется в процессе декомпозиции? 6. Алгоритм декомпозиции. Раскройте его содержание. изучи и сделай вариант 5