РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ПРОЕКТА ПО ВНЕДРЕНИЮ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ В ДИСТАНЦИОННЫЙ УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС КАФЕДРЫ

Гугаев М.В.

Бакалавр, НИУ ВШЭ «Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»»

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ПРОЕКТА ПО ВНЕДРЕНИЮ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ В ДИСТАНЦИОННЫЙ УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС КАФЕДРЫ

Аннотация

В последнее несколько лет в образовательной деятельности многих вузов произошли структурные сдвиги, связанные как с демографической ситуацией в стране (нехватка абитуриентов), так и проблемами выполнения мониторинговых показателей (сокращение вузов и их филиалов) со стороны Рособрнадзора. Поэтому вузы начали активно развивать системы дистанционного образования (СДО) различных слоёв населения в отдалённых территориях страны и привлечения дополнительных денежных средств в свой бюджет. В статье рассмотрены интерактивные методы СДО в виде параллельных «облачных вычислений» в автоматизированных виртуальных лабораториях, технологии видеоконференцсвязи, телеворкинга.

Ключевые слова: программный проект, интерактивное дистанционное обучение,  технологии видеоконференции, брейнсторминг, телеворкинг, облачные вычисления.

Gugaev M.V.

Bachelor, NRU HSE – National Research University "Higher School of Economics"

DEVELOPMENT OF THE SOFTWARE PROJECT ON IMPLEMENTATION OF PARALLEL COMPUTING IN REMOTE EDUCATIONAL PROCESS OF THE DEPARTMENT

Abstract

In the last few years, the educational activities of many universities have got structural changes related to both demographic situation in the country (shortage of high school graduates) and the problems of implementation of monitoring indexes (reduction of the number of universities and their branches) by Rosobrnadzor. Therefore, universities began to develop online education systems (OES) for different segments of the population in remote areas of the country and attract additional funds to their budgets. The paper discusses interactive OES methods in the form of parallel "cloud computing" in automated virtual laboratories, videoconferencing technologies, and teleworking.

Keywords: software project, interactive remote learning, videoconferencing technologies, brainstorming, telecommunication, cloud computing.

В настоящее время перед российскими вузами стоит актуальная задача внедрения интерактивных систем интерактивного дистанционного образования (СИДО) в учебный процесс для повышения их эффективности и конкурентоспособности в современных рыночных ус­ловиях [1].

К числу ведущих организаций, занимающихся проблемами стандартизации электронного обуче­ния, относятся: глобальный образовательный кон­сорциум IMS (IMS Global Learning Consortium); комитет по стандартизации образовательных тех­нологий LTSC (Learning Technology Standards Committee) Института инженеров по электротех­нике и электронике IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers); инициатива прогрессивного распределенного обучения ADL (Advanced Distri­buted Learning initiative). Все их можно объединить в две большие группы: классические системы дистанционного образования (d- learning) и системы классического электронного образования (e- learning) [2,3].

Создание Software project cloud computing (SPC2C) - программного проекта (ПП) СИДО для работы с высокоэффективными вычислительными системами (ВВС) вузов позволит расширить сферу их использования в научно- исследовательском и учебно- методическом процессах для различных групп (см. рис. 1).

Дополнительно к ВВС и суперкомпьютерным «облачным вычислениям» (cloud computing), при внедрении технологий видеоконференцсвязи в учебный процесс необходимо учитывать комплекс российских стан­дартов на информационно- коммуникационные технологии в образовании, таких как ГОСТ 34.602, РД 50­34.698-90 и международных стандартах группы ESA PSS-05 [3].

Рис. 1 - Структура SPC2C

В настоящее время СДО инже­нерным специальностям по-прежнему находит ограниченное применение, в том числе и из-за отсутствия универсальных ме­тодических рекомендаций, позволяющих решать такие специ­фические задачи, как обучение студентов практическим умени­ям и навыкам профессиональной работы. Инженерное образование, в отличие от гуманитарного, имеет специфику, связанную с необходимостью приобретения студен­тами практических умений и навыков профессиональной рабо­ты. Такие навыки формируются в процессе проведения практи­ческих занятий на макетах реальных машин, станках, стендах, в лабораториях, в полевых условиях и т.д.

Разрабатываемый кафедральный SPC2C обеспечивает удалённое проведение лекционных, консультационных, практических и лабораторных занятий по дисциплинам, проведения научных видеоконференций, вебинаров, брейнстормингов, конкурсов и олимпиад, хранения и работы с информационными ресурсами, неформальное общение в тематических форумах, информирования о событиях, происходящих в учебном заведении, не требующим применения спе­циальных аппаратных средств.

Поэтому, разрабатываемая СИДО должна удовлетворять следующим  группам целей [2], [3]:

- в области ВВС: использование больших многопроцессорных вычислительных систем и комплексов, включая вычислительные и дата-центры - как основы современных и  будущих облачных систем, базу технологий обработки больших объёмов данных (BigData).

-в области уровня подготовки бакалавров-инженеров: развитие навыков самообразования, интерактивной и самостоя­тельной работы;

-в области внедрения новых технологий: ис­пользование телекоммуникационных технологий в образовании, TBL (Technology-Based Learning) или технологическое обучение- электронное обу­чение, STS (Student Tracking System) или систем слежения за обучаемыми; телеворкинг (telework - живое дистанционное образование);

- в области интерактивного образования: использование технологий видеореалистичности 3D моделей, с элементами управ­ления для отработки соответствующих управляющих воздей­ствий;

-в области экономической эффективности обучения: снижение стоимости сопровождения процесса обучения в территориально отдалённых регионах;

- в социальной сфере: возможность привлечения в образовательный процесс в территориально отдалённых местностях большего числа высококва­лифицированного профессорско- преподавательского состава, ведущих специалистов (технологов, конструкторов, проектировщиков) градообразующих промышленных предприятий, специалистов определённой области знаний (агрономов, ветеринаров, главных инженеров) АПК, возможность обучения студентов- инвалидов и др.

В иерархическую двухъярусную локальную вычислительную сеть (ЛВС) вуза также входят система отдалённого теледоступа или ЭВМ-доступа (ОТиЭ) и управления компьютерной сетью (УКС), структурные автоматизированные виртуальные лаборатории (АВЛ) и др. Предусмотрена интеграция ЛВС с пакетом инженерных программ Process Engineering Suite (PES) и взаимодействие с системой поддержки учебного процесса. Совместно они образуют единый самостоятельный программный проект для организации отдалённого доступа к вычислительным ресурсам ЛВС и анализа результатов расчётов, позволяющий расширить сферу использования ВВС. В данном ПП предусмотрена также и поддержка параллельных вычислений: система автоматического обнаружения ошибок и контроля корректности MPI-программ и системы автоматизированного поиска шаблонов неэффективного поведения параллельных программ, которые будут включены в состав ПП.

Для подготовки бакалавров- инженеров при изучении физических явлений и процессов реальных объектов широко используются наглядные 3D -модели и численный эксперимент. Чтобы провести численный эксперимент за приемлемое время, необходимо использовать ВВС, то есть системы с параллельной архитектурой. Поэтому создание системы ОТиЭ и УКС, являющиеся информационной средой для проведения численных экспериментов и хранения результатов, является актуальной задачей повышения эффективности и удобства использования ВВС в научных и инженерных исследованиях, получения доступа к их ресурсам (см. рис.2).

 

Рис. 2 – Многопользовательская клиент- серверная облачная структура системы ПП

Клиент- серверная архитектура используется для создания вычислительных баз данных, функционирующих под управлением СУБД Oracle, в которых информация не только хранится, но и периодически поддаётся обработке различными методами. Программное обеспечение (ПО) вычислительных ресурсов отвечает за взаимодействие с отдалёнными кластерами. Периодически просматривая базу данных, ПО выбирает из неё новые задания на компиляцию программ и запуск расчётов.

Отдалённый клиент - программа на языке C++, устанавливаемая на каждый вычислительный ресурс для связи с ПО. Клиент отслеживает состояние кластера (количество и загрузку узлов, количество запущенных задач) и периодически выполняет подключение к серверу для передачи информации о состоянии управляемого им ресурса. Клиент общается с сервером по собственному протоколу через TCP- сокеты, что позволяет серверу абстрагироваться от специфики архитектур и команд отдалённых ресурсов, поскольку эту специфику реализует клиент,  т.е. унифицирует сетевые коммуникации клиентов [2].

Для работы с системой пользователь использует программу- клиент (web -браузер), которая выполняет функции отображения данных, то есть обеспечивает интерфейс. В качестве хранилища данных выступает СУБД Oracle, а связующим звеном браузера пользователя и хранилища является web-сервер приложений Rcalc1, который осуществляет динамическую генерацию страниц с использованием пакета С2СWeb. Пакет Rcalc2 обеспечивает «облачные вычисления» и активацию вычислительных ресурсов, что обеспечивает передачу файлов из хранилища, а также запросов на генерацию исполняемого кода и выполнение расчётов из хранилища данных клиентам, размещённым на вычислительных кластерах, а также осуществляет приём результатов расчётов и размещение их в хранилище данных. Логически система ОТиЭ и УКС разделяется на две подсистемы: систему управления распределенными вычислительными системами и систему отдалённого ЭВМ-доступа к распределённым вычислительным ресурсам, являющейся средством доступа к системе управления распределенными вычислительными ресурсами, т.е. клиентской частью данной системы. Взаимодействие между данными подсистемами, а также интеграция с системой АВЛ, осуществляется на уровне общей базы данных.

Существующие (СДО), такие как WebTutor, Прометей, MOODLE, REDCLASS и др. поддерживают международные стандарты SCORM, IMS, но не обеспечивают наличие смысловых связей между знаниями дистанционных курсов. Это исключает возможность автоматизированного анализа знаний программными средствами и ограничивает интеллектуальные возможности обучающей системы по построению «траекторий» индивидуальных планов обучения и консультирования в рамках текущей дисциплины. Поэтому при построении системы SPC2C большое внимание уделено к организации построения базы знаний дистанционных курсов на основе web -онтологий соответствующей предметной области.

Пакет SPC2C имеет модульную архитектуру, поэтому её удобно расширить и модернизировать. Базовые модули содержат АРМ-ы «Web- портал», «Виртуальная аудитория»,  «Root-администратор», АРМ «Куратор», АРМ  «Тьютор» и др.

В СИДО выполнение лабораторных работ в определён­ной степени заменяются автоматизированными лабораторными практикумами отдалённого теледоступа или ЭВМ- доступа. При этом к виртуальным лабораторным практикумам также подключены их web -онтологии. Использование современных IT- технологий проектирования виртуальной реальности позволяют создавать автоматизированные практикумы, имитирующие ра­боту дорогостоящих реальных механизмов машин,  стендового оборудования и реальных технологических про­изводств. Наряду с виртуальными лабораторными работами, студенты выполняют также и задания в рамках курса по высокопроизводительным вычислениям, предусматривающим исследование поведения определённого численного алгоритма на вычислительных ресурсах ВВС архитектуры (например, зависимость эффективности алгоритма от количества процессоров и параметров задачи, задачи НИОКР в машиностроении, электромеханики и др.).  В соответствии с задачами системы были выделены два типа пользователей АВЛ: преподаватель и студент. Диаграмма вариантов использования системы представлена на рисунке 3 [4].

Рис. 3 - Диаграмма вариантов использования СИДО

 

Создание программного проекта по  внедрению параллельных вычислений в дистанционный учебный процесс кафедры является актуальной задачей как социального партнёрства кафедры или вуза с ведущими предприятиями региона, стимулирования научно- исследовательских работ студентов, а в крайних случаях и выживанием многих вузов в современных рыночных условиях.

Очевидно, что развитие СИДО в системе российского образования будет в будущем только активизироваться, т.к. её можно осуществить минимальными расходами на создание технических телекоммуникационных каналов связи.

Список литературы / References

1. Глаисснер О.Ю. Дистанционное образование в России и в мире // Вестник Высшей школы. -2009.-№7. -С. 26 - 34.
2. Демьянович Ю.К. и др. Параллельные алгоритмы. Разработка и реализация. -СПб, 2012. - 134с.
3. Аппаратные требования к организации системы видеоконференцсвязи с использованием Skype [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL: https://support.skype.com/ru/. (дата обращения: 13.04. 2017).
4. Трофимов С.А. CASE-технологии: Практическая работа в Rational Rose - М.: БИНОМ, 2013. - 288 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Glassner O.Yu. Distancionnoe obrazovanie v Rossii i v mire [Online education in Russia and globally] Vestnik Vysshej shkoly [Bulletin of High School] - 2009. № 7. P. 2 -34. [in Russian]
2. Demjanovich Yu K. Parallel'nye algoritmy. Razrabotka i realizacija [Parallel algorithms. Development and Implementation]. - SPb, 2012. - 134 p. [in Russian]
3. Apparatnye trebovanija k organizacii sistemy videokonferencsvjazi s ispol'zovaniem Skype [Hardware requirements to videoconference communication system using Skype]. – URL: https://support.skype.com/ru/. (accessed: 13.04. 2017) [in Russian]
4. Trofimov S. A. CASE-tehnologii: Prakticheskaja rabota v Rational Rose [CASE technologies: Practical experience] - M.: BINOM, 2013. - 288 p. [in Russian]