Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВО

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра информационных и развивающих образовательных систем и технологий

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к выпускной квалификационной работе магистра на тему:

«Исследование структурного разнообразия оптимальных стратегий

управления развитием научных способностей студентов»

ВЫПОЛНИЛ Д.О. Мавричев

Самара 2016 г.



РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная работа магистра.

Пояснительная записка: 120 с., 43 рис., 42 таб., 64 источников, 6 приложений. личность математический моделирование

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА, МОДЕЛИРОВАНИЕ, НАУЧНЫЕ СПОСОБНОСТИ, ОГРАНИЧЕНИЯ, ВИЗУАЛИЗАЦИЯ, ОБЫКНОВЕННЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ, РАЗВИТИЕ.

Объектом проектирования является информационная система моделирования развития научных способностей личности, объектом исследования является выявление и исследование структурного разнообразия оптимальных стратегий развития научных способностей студентов.

Цель работы - изучить и систематизировать различные подходы к моделированию развития научных способностей личности. Разработать и реализовать информационную систему, позволяющей моделировать формирование научных способностей личности на основе базовой математической модели. Исследовать области значений коэффициентов базовой математической модели, приводящие к реалистичным результатам.

Разработана информационная система, способная моделировать развитие научных способностей личности, на основе базовой математической модели, сохранять и загружать результаты расчета и находить наилучший вариант моделирования, с помощью разработанного метода квантов. личность математический моделирование

Наиболее значительные исследования в данной области, принадлежат: С.А. Пиявскому.

В работе используется концепция организации учебного процесса на основе оптимально управления творческим развитием школьника и студента. Эта концепция предложена и реализована на кафедре ИРОСТ СГАСУ под руководством С.А. Пиявского [1-11].



СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ
• 1.1 Характеристика области исследования
• 1.2 Анализ существующих подходов
• 1.3 Цели и задачи исследования способов управления развитием научных способностей
• 1.4 Характеристика используемых методов
• 1.4.1 Решения обыкновенных дифференциальных уравнений
• 1.4.2 Алгоритмы шифрования
• 1.4.3 Математическая статистика
• 1.4.4 Средства разработки информационной системы
• 2. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
• 2.1 Используемый математический аппарат и языковые средства представления модели
• 2.2 Основные гипотезы и допущения
• 2.3 Описание модели
• 3. РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ
• 3.1 Диаграмма вариантов использования
• 3.2 Сценарий основного варианта использования
• 3.3 Диаграммы классов
• 3.4 Схема алгоритма
• 3.5 Логическая структура базы данных
• 3.6 Архитектура и платформа реализации
• 3.7 Требования к программному обеспечению
• 3.8 Описание структуры программного обеспечения
• 3.9 Описание используемых классов и методов
• 3.10 Физическая структура БД
• 3.11 Диаграмма состояний
• 3.12 Диаграмма активности
• 3.13 Диаграмма последовательности
• 3.14 Диаграмма коммуникации
• 3.15 Расчет комплекса технических средств
• 3.16 Основные интерфейсы
• 3.17 Диаграмма компонентов
• 3.18 Диаграмма развертывания
• 3.19 Программа и методика испытаний модели
• 3.20 Контрольный пример
• 3.21 Руководство пользователя
• 4. ВНЕДРЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ
• 4.1 Описание объекта внедрения
• 4.2 Описание хода внедрения
• 4.3 Описание результатов внедрения
• 4.4 Анализ и выводы
• 5. ОПЫТ И РЕЗУЛЬТАТЫ ТВОРЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ В ПЕРИОД ОБУЧЕНИЯ
• 5.1 Сведения о деятельности возглавляемого научного микроколлектива
• 5.2 Сведения о трудовой деятельности
• 5.3 Наиболее значимые профессиональные сертификаты
• 5.4 Перечень публикаций
• 5.5 Перечень участия в конференциях
• 5.6 Перечень выполненных в период обучения курсовых проектов и работ
• 5.7 Портфолио
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
• ПРИЛОЖЕНИЯ
• ПРИЛОЖЕНИЕ А
• ПРИЛОЖЕНИЕ Б
• ПРИЛОЖЕНИЕ В
• ПРИЛОЖЕНИЕ Г
• ПРИЛОЖЕНИЕ Д
• ПРИЛОЖЕНИЕ Е

• ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Таблица 1 - Сокращения и условные обозначения

Сокращение	Расшифровка
UML	Unified Modeling Language
ПЛИС	Программируемая логическая интегральная схема
RFC	Request for Comments
NSA	National Security Agency
NIST	The National Institute of Standards and Technology
FIPS	Federal Information Processing Standards
UML	Unified Modeling Language
HTML	HyperText Markup Language
XHTML	Extensible HyperText Markup Language
SGML	Standard Generalized Markup Language
ISO	International Organization for Standardization
HTTP	HyperText Transfer Protocol
HTTPS	HyperText Transfer Protocol Secure
JS	JavaScript
CSS	Cascading Style Sheets
XML	eXtensible Markup Language
SVG	Scalable Vector Graphics
MVC	Model-View-Controller
RMI	Remote Method Invocation
SQL	Structured Query Language
БД	База данных
СУБД	Система управления базами данных
АБД	Администратор базы данных
SQLJ	SQL for Java
API	Application Programming Interface
ANSI	American national standards institute
SPARC	Scalable Processor ARChitecture
ODBC	Open Database Connectivity
JDBC	Java DataBase Connectivity
REST	Representational State Transfer



ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы, важность ее решения определили выбор темы дипломной работы, и послужила основанием для определения цели и задачи данного исследования. Целью дипломной работы является выявление структур оптимальных законов управления развитием способностей личности, которые могут проявляться в зависимости от различных сочетаний значений коэффициентов базовой математической модели С.А. Пиявского.

Для достижения поставленной цели была впервые разработана теоретическая модель анализа достоверности экспериментальных данных по определению коэффициентов динамической модели оптимального формирования научных способностей С.А. Пиявского. На ее основе проведено исследование и разработаны статистически обоснованные значения коэффициентов этой модели, обладающие новизной и широкой областью применения. Проведен сравнительный анализ этих коэффициентов и выработаны рекомендации для оптимального управления развитием способностей личности. Разработана информационная система моделирования развития научных способностей личности на заданный период времени, позволяющие изменять коэффициенты модели, производить моделирование, производить поиск оптимальной стратегии развития личности и сохранять результаты моделирования.

Структурно дипломная работа состоит из введения, в котором обусловлена актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи исследования; пяти глав, раскрывающих те или иные аспекты исследуемой темы; заключения, в котором представлены обобщающие выводы по проведенному исследованию, список используемых источников, приложение.

В работе разработана теоретическая модель анализа достоверности экспериментальных данных по определению коэффициентов динамической модели оптимального формирования научных способностей С.А. Пиявского.

Элементами научной новизны обладают выявленные в дипломной работе типовые структуры стратегий развития студентов и подходы к повышению творческой одаренности молодежи.

В работе используется концепция организации учебного процесса на основе оптимально управления творческим развитием школьника и студента. Эта концепция предложена и реализована на кафедре ИРОСТ СГАСУ под руководством С.А. Пиявского [1-11].



1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

1.1 Характеристика области исследования

Любые задатки, прежде чем превратиться в способности, должны пройти большой путь развития. Для многих человеческих способностей это развитие начинается с первых дней жизни.

В процессе развития способностей можно выделить ряд этапов. На одних из них происходит подготовка анатомо-физиологической основы будущих способностей, на других идет становление задатков небиологического плана, на третьих складывается и достигает соответствующего уровня нужная способность.

Первичный этап обычно относится к дошкольному детству, охватывающему период жизни ребенка от рождения до 6--7 лет. Здесь происходит совершенствование работы всех анализаторов, развитие и функциональная дифференциация отдельных участков коры головного мозга, связей между ними и органов движения, прежде всего рук. Это создает благоприятные условия для начала формирования и развития у ребенка общих способностей, определенный уровень которых выступает в качестве предпосылки (задатков) для последующего развития специальных способностей.

Становление специальных способностей активно начинается уже в дошкольном детстве и ускоренными темпами продолжается в школе, особенно в младших и средних классах. Поначалу развитию этих способностей помогают различного рода игры детей, затем существенное влияние на них начинает оказывать учебная и трудовая деятельность. В играх детей первоначальный толчок к развитию получают многие двигательные, конструкторские, организаторские, художественно-изобразительные, иные творческие способности. Занятия различными видами творческих игр в дошкольном детстве приобретают особое значение для формирования специальных способностей у детей.

Важным моментом в развитии способностей у детей выступает комплексность, т. е. одновременное совершенствование нескольких взаимно дополняющих друг друга способностей. Развивать какую-либо одну из способностей, не заботясь о повышении уровня развития других, связанных с ней способностей, практически нельзя.

Многоплановость и разнообразие видов деятельности, в которые одновременно включается человек, выступает как одно из важнейших условий комплексного и разностороннего развития его способностей. В этой связи следует обсудить основные требования, которые предъявляются к деятельности, развивающей способности человека. Эти требования следующие: творческий характер деятельности, оптимальный уровень ее трудности для исполнителя, обеспечение положительного эмоционального настроя в ходе и по окончании выполнения деятельности.

Если деятельность ребенка носит творческий характер, то она постоянно заставляет его думать и сама по себе становится достаточно привлекательным делом как средство проверки и развития способностей. Такая деятельность всегда связана с созданием чего-либо нового, открытием для себя нового знания, обнаружения в самом себе новых возможностей. Такая деятельность укрепляет положительную самооценку, повышает уровень притязаний, порождает уверенность в себе и чувство удовлетворенности от достигнутых успехов.

Если выполняемая деятельность находится в зоне оптимальной трудности, т. е. на пределе возможностей ребенка, то она ведет за собой развитие его способностей, реализуя то, что Л. С. Выготский называл зоной потенциального развития [12].

Деятельность, не находящаяся в пределах этой зоны, гораздо в меньшей степени ведет за собой развитие способностей. Если она слишком проста, то обеспечивает лишь реализацию уже имеющихся способностей; если же она чрезмерно сложна, то становится невыполнимой и, следовательно, также не приводит к формированию новых умений и навыков.

Что касается нужного эмоционального настроя, то он создается таким чередованием успехов и неудач в деятельности, развивающей способности человека, при котором за неудачами (они не исключены, если деятельность находится в зоне потенциального развития) обязательно следуют эмоционально подкрепляемые успехи, причем их количество в целом является большим, чем число неудач [13].

Существует несколько классификаций способностей человека. Во-первых, различают природные (естественные) способности, в основе своей биологически обусловленные; и специфические человеческие способности, имеющие общественно-историческое происхождение.

У человека есть способности, обеспечивающие его жизнь и развитие в социальной среде. К числу специфически человеческих способностей относятся общие и специальные высшие интеллектуальные способности, основанные на пользовании речью и логикой, а также теоретические и практические, учебные и творческие, предметные и межличностные способности.

Общие способности определяют успехи человека в самых различных видах деятельности. К ним, например, относятся умственные способности, тонкость и точность ручных движений, развитая память, совершенная речь и ряд других. Специальные способности определяют успехи человека в специфических видах деятельности, для осуществления которых необходимы задатки особого рода и их развитие. К таким способностям можно отнести музыкальные, математические, лингвистические, технические, литературные, художественно-творческие, спортивные и ряд других. Общие и специальные способности у человека сосуществуют, взаимно дополняя и обогащая друг друга.

Теоретические способности предопределяют склонность человека к абстрактно-теоретическим размышлениям. Практические способности предопределяют склонность человека к конкретным, практическим действиям.

Такие способности в отличие от общих и специальных, напротив, чаще не сочетаются друг с другом, вместе встречаясь только у одаренных, разносторонне талантливых людей.

Учебные способности определяют успешность обучения и воспитания, усвоения человеком знаний, умений, навыков, формирования качеств личности. Творческие способности необходимы для создания предметов материальной и духовной культуры, производства новых идей, открытий и изобретений.

Способности к общению, взаимодействию с людьми, а также предметно-деятельностные, или предметно-познавательные, способности - в наибольшей степени социально обусловлены. В качестве примеров способностей первого вида можно привести речь человека как средство общения, способности социально-психологической адаптации к различным ситуациям, способности входить в контакт с различными людьми, располагать их к себе, оказывать на них влияние и т. п. Примеры способностей предметно-познавательного плана хорошо известны. Они традиционно изучаются в общей и дифференциальной психологии и именуются способностями к различным видам теоретической и практической деятельности.

Для успешного выполнения какой-либо деятельности необходимы не отдельные способности, а их удачное сочетание, именно такое, какое для данной деятельности необходимо. Практически нет такой деятельности, успех в которой определялся бы лишь одной способностью.

Способности не только совместно определяют успешность деятельности, но и взаимодействуют друг с другом, оказывая влияние друг на друга. Сочетание различных высокоразвитых способностей называют одаренностью, и эта характеристика относится к человеку, способному ко многим различным видам деятельности [14].

Понятие "способности" очень близко понятию "одаренность". Одаренность же - "это системное, развивающееся в течение жизни качество психики, которое определяет возможность достижения человеком более высоких (необычных, незаурядных) результатов в одном или нескольких видах деятельности по сравнению с другими людьми". Соответственно, уровень результатов, о достижении которых идет речь, определяет уровень одаренности, пролагает грань между гением, талантом и "просто способным" человеком. В данном пособии мы будем говорить о таком уровне способностей, который может привести их обладателя к ученой степени доктора наук, занятию должности заведующего кафедрой, лабораторией, начальника цеха, проектного бюро. Таким образом, пособие не претендует на то, чтобы научить, как стать гением, но думаем, что и будущему гению оно не повредит. Ведь и гении изучали азы наук, овладевали грамотностью - просто они очень быстро проходили эти этапы становления и шли дальше.

Систематические исследования одаренности начались с 19 века, причем смысл этого понятия непрерывно обогащался. Еще в 1816 г. немецкий астроном Бессель утверждал, что может определить интеллект своих сотрудников по скорости их реакции на световую вспышку, т.е. сводил интеллект к скорости нервных реакций. В русле этого понимания в 1885 г. Дж. Кеттел разработал ряд тестов, в которых определял параметры реакций на раздражители различной силы. В последующих тестах показателем интеллекта служило время, затрачиваемое на решение предложенных задач. Однако как только речь зашла о практическом применении, это понимание доказало свою узость. В 1881 г. во Франции было введено всеобщее обязательное обучение. Это быстро привело к тому, что в перегруженных классах оказались вместе и "одаренные" и "отсталые" дети, объединенные чисто по возрастному признаку. Французское правительство поручило психологу Бине разработать тест, на основе которого можно было бы распределить учеников по классам не по возрасту, а по интеллекту. Бине определил интеллект как способность "правильно судить, понимать и размышлять" и, благодаря своей "инициативности" и "здравому смыслу" "приспосабливаться к обстоятельствам жизни". Эта точка зрения стала общепринятой. Сегодня интеллект понимают, как способность приспосабливаться, адаптироваться к условиям внешней среды, но, как ни странно, измеряют по-прежнему количеством специально подобранных задач, решаемых за фиксированное время.

Однако длительные наблюдения за людьми, получившими выдающиеся оценки по подобным тестам на интеллект, показали, что в жизни они не добились столь же выдающихся результатов. Обобщив эти наблюдения, Гилфорд в 1945 г. предложил более широкое понимание одаренности, включив в него, помимо интеллекта, понятие креативности (т.н. дивергентное мышление). Существенной частью творческого процесса оказалась также мотивационная и эмоциональная сфера, существенный вклад в изучение которой внес Маслоу.

Параллельно исследованиям психологов развивалось и другое направление, представленное работами крупных ученых из различных областей знаний, изобретателей, конструкторов. Анализируя технологию собственной творческой деятельности, они выдвигали плодотворные гипотезы о характере творческих процессов и способах повышения его эффективности. В первую очередь следует назвать работы Пуанкаре, Адамара, Селье, Пойа, Альтшуллера, Половинкина.

В результате исследований перечисленных и многих других ученых сформировалось четкое представление, что под научно-техническими способностями следует понимать совокупность четырех компонентов:

- интеллект;

- креативность;

- мотивация;

- квалификация;

1.2 Анализ существующих подходов

Ускоренное развитие современного общества, выход его на все новые пределы роста, усиление конкуренции между отдельными фирмами, странами предъявляют повышенные требования к качеству научно-технической элиты. Соответственно все большую важность приобретает задача эффективной организации деятельности по развитию способностей одаренной молодежи в области науки и техники. Следует признать, что существующая в России система работы с одаренной молодежью еще не позволяет эффективно решать эту задачу, хотя страна имеет разветвленную структуру подготовки высококвалифицированных научно-технических кадров. Одна из основных причин заключается в отсутствии методологической цельности системы работы с одаренной молодежью и эффективного управления ею. Это вызвано, прежде всего, слабым представлением о содержании научно-технических способностей как специфического вида одаренности и, как следствие, отсутствием надежных методов моделирования и управления процессом их развития. Не используется технологический прорыв в работе с одаренной молодежью, который может быть обеспечен благодаря интенсивной информатизации общества. Из-за этого, в частности, не осуществляется мониторинг развития, т.е. никакая организация не берет на себя ответственности за судьбу конкретной личности, ограничиваясь отдельными локальными акциями.

В качестве заключения можно сказать, что в настоящее время недостаточно полно решены проблемы математического и информационного обеспечения в подходе к развитию научных способностей студентов в высших учебных заведениях. Таким образом, актуальной задачей становится создания программных средств поддержки и контроля развития научных способностей [15].



1.3 Цели и задачи исследования способов управления развитием научных способностей

Важнейшей задачей высшего профессионального образования, на современном этапе развития, является подготовка специалистов, обладающими глубокими знаниями, умениями и навыками, способных ввести активную инновационную и научно-исследовательскую деятельность. Для достижения этой цели в Министерстве образования и науки Российской Федерации была утверждена концепция развития научно-исследовательской и инновационной деятельности в учреждениях высшего профессионального образования Российской Федерации на период до 2015 года [7]. В ней формулируются основные направления и идеи повышения эффективности вклада вузов в технологическую модернизацию реального сектора экономики Российской Федерации через развитие их научно-исследовательской и инновационной деятельности. Поэтому актуальной задачей является разработка и реализация программного комплекса, который позволил бы моделировать процесс формирования научных способностей студентов за время их обучения в высшем учебном заведении.

Основная задача высшей школы состоит в достижении студентами качеств, которые отвечают требованиям, предъявляемым к личности в современных быстро меняющихся социально-экономических условиях. Эти требования заключаются в ключевых компетентностей, позволяющих реализовать себя в условиях информационного общества.

В информационном обществе изменяются культурные и социально-экономические условия, которые приводят к изменению системы ценностных ориентаций. Соответственно меняется идеология системы образования, которая должна ориентироваться на высшую ценность - человека, реализующего свой творческий потенциал во взаимодействии с миром, природой, обществом. В этой связи необходимо реализовать субъектный подход в обучении, в рамках которого каждый обучаемый наделяется безусловным правом активно выбирать конструировать свою учебную деятельность.

Изменения, происходящие в современном обществе, существенно влияют на все сферы жизни человека, а также вызывают изменения в содержании и организации образовательного процесса, как общего, так и дополнительного образования. Содержание образования отражает переход от одного состояния общества к другому.

Информационное общество - это общество знания, в котором главным условием благополучия каждого человека и каждого государства становится знание, полученное благодаря беспрепятственному доступу к информации и наличию умений с ней работать.

Важнейшим условием достижения нового качества образования является усиление личностной направленности образования.

Ситуация в современной системе образования свидетельствует о том, что все больше ученых и практиков обращаются к проблеме, связанной с необходимостью переосмысления целей образования. Помощь в становлении таких личностных качеств, как самостоятельность, готовность к постоянному саморазвитию и самосовершенствованию - такой сегодня видят цель образования. Произошло переосмысление - от представления, что выпускник - это «носитель» определенной группы «знаний, умений, навыков», идет переход к пониманию, что ведущей целью становится создание таких условий, при которых те личностные качества, которые были названы выше, могли проявляться и развиваться. Поэтому изменяются и подходы к формулировке практических педагогических задач, ставящихся перед той или иной сферой образования. К данному моменту, приоритетный показатель качества подготовки выпускника, на рынке труда - готовность быстро, без особых затрат, адаптироваться к рабочему месту и соответствовать профессиональным требованиям специальности.

Понятие «компетентность» объединяет в себе интеллектуальную и навыковую составляющие образования, требует обновления содержания, формируемого «от результата», и обладает интегративной природой (вбирает в себя умения и знания, относящиеся к широким сферам культуры и деятельности: информационной, коммуникативной, бытовой и т.д.). Компетентность - уже состоявшееся личностное качество(совокупность качеств), позволяющее решать проблемы и типичные задачи, возникающие в реальных жизненных ситуациях, с использованием знаний, учебного и жизненного опыта, ценностей и наклонностей. Выделяются следующие сущностные признаки компетентности:

- компетентность имеет деятельностный характер обобщенных умений в сочетании с предметными умениями и знаниями в конкретных областях;

- компетентность проявляется в умении осуществлять выбор, исходя и адекватной оценки себя в конкретной ситуации.

Компетентность выступает в качестве ключевой, если она имеет характерные признаки:

- многофункциональность. Овладение позволяет решать различные проблемы в повседневной, профессиональной или социальной жизни;

- междисциплинарность;

- многомерность. Сочетают различные умственные и психические процессы и интеллектуальные умения (абстрактное мышление, саморефлексия, определение своей собственной позиции, самооценка, критическое мышление и т.д.).

Ключевые компетентности необходимы в любом виде деятельности и связаны с успехом личности в быстро меняющемся мире. Они проявляются в способности решать разнообразные задачи на основе использования информации, коммуникации, социально-правовых основ поведения личности в гражданском обществе.

Формы проявления компетентностей достаточно многообразны, так как связаны с различными сферами жизни человека, с его особенностями. Все виды компетентностей необходимы и самоценны, в процессе взросления человека они обогащаются, взаимодействуют между собой. Существует огромное многообразие видов деятельности и отношений, каждый из которых требует определенных компетентностей для реализации на разных уровнях.

Ценностным основанием выделения компетентностей является ориентация на создание максимально благоприятных условий для саморазвития, самоопределения учащихся в образовательном процессе. Следует учитывать, что для каждого возраста характерна своя система ценностей, которая проявляется в позициях, социальных ролях, значимых проблемах [3].

Интерес представляет подход к пониманию компетентности британского психолога Дж. Равена. У Дж. Равена компетентность выступает в качестве ведущего содержательного основания, позволяющего сформулировать четыре следствия о необходимости:

· пересмотра взглядов на возможности обучаемого, ибо все студенты могут стать компетентными, сделав свой выбор в широчайшем спектре занятий; соответственно нужно научиться видеть каждого студента с точки зрения наличия у него уникального набора качеств;

· переформулировки целей образования: на первый план выходит задача развития личности с помощью индивидуализации обучения;

· изменения методов обучения, которые должны содействовать выявлению и формированию компетентностей студентов в зависимости от их личных склонностей и интересов, важных для успеха в той или иной деятельности;

· отказа от традиционных процедур оценивания учащихся и образовательных программ.

При этом существеннейшим образом изменяется роль педагога: от трансляции знаний и способов деятельности он должен переходить к проектированию индивидуальной траектории интеллектуального и личностного развития каждого студента, развитию его компетентностей.

На факультете ИСТ Самарского государственного архитектурно-строительного университета разработан и реализован метод оценки научных, способностей, называемый базовой математической моделью. Создателем этой модели является С.А. Пиявский. В ее основе лежит утверждение о том, что исследовательские способности включают четыре компоненты: интеллект, креативность, квалификацию и мотивацию, из которых две первые, начиная с возраста 15-16 лет уже не подлежат изменениям. Что же касается квалификации и мотивации, то они динамичны и могут изменяться, причем исследовательская квалификация формируется исключительно в процессе целостной исследовательской деятельности личности.

В соответствии с этой гипотезой, количественными показателями, описывающими научной квалификацию личности, являются характеристики ее способности реализовывать основные элементы исследовательской деятельности, а именно: девять функций исследовательской деятельности [17-18].

Функции исследовательской деятельности представлены в таблице 1.

Таблица 2 - Функции исследовательской деятельности

Название функции
1. Поиск тематики
2. Постановка и формализация темы исследования
3. Формирование идеи и плана решения
4. Выбор, освоение и реализация необходимого обеспечения
5. Реализация отдельных элементов исследования
6. Синтез решения
7. Оформление решения
8. Ввод в научный обиход, защита и сопровождение решения
9. Внутренний критический анализ решения

Актуальность данной работы обусловлена переходом от квалификационного подхода в профессиональном образовании к компетентностному, что дает возможность описать функциональную характеристику личности, включающую не только знания, умения и навыки, но и необходимый уровень развития интеллекта, личных качеств, мотивацию и опыт практической деятельности.

Целью квалификационной работы является разработка и практическая реализация информационно-технических основ формирования научных способностей при подготовке личности.

Достижение указанной цели, предполагает решение задач:

1) сопоставительный обзор математических методов оценки развития научных способностей;

2) разработка математической модели формирования научных способностей;

3) разработка и применение метода квантов;

4) статистическая обработка данных для определения коэффициентов модели;

5) анализ полученных результатов для определения эффективности достижения поставленной цели.

Объектом проектирования и исследования является информационная система моделирования развитием научных способностей личности.

Цель работы - изучить и систематизировать различные подходы к моделированию развития научных способностей личности. Разработать и реализовать информационную систему, позволяющей моделировать формирование научных способностей личности на основе базовой математической модели. Исследовать области значений коэффициентов базовой математической модели, приводящие к реалистичным результатам.

Информационная система разработана по методологии UML.

Методы исследования: статистическая обработка данных.

Практическая значимость обусловлена возможностью моделирования развития научных способностей школьников и студентов на протяжении всего периода обучения.

Таким образом, для эффективного руководства развитием исследовательской деятельностью студентов необходимо моделировать динамику развития научных способностей личности на протяжении всего периода обучения. Опираясь на определенную группу типа личности можно давать различные варианты управленческих решений для достижения оптимальной стратегии развития личности и достижения наилучших результатов при их подготовке.

1.4 Характеристика используемых методов

1.4.1 Решения обыкновенных дифференциальных уравнений

1.4.1.1 Метод Эйлера

При решении научных и инженерно-технических задач часто бывает необходимо математически описать какую-либо динамическую систему. Лучше всего это делать в виде дифференциальных уравнений (ДУ) или системы дифференциальных уравнений. Наиболее часто они такая задача возникает при решении проблем, связанных с моделированием кинетики химических реакций и различных явлений переноса (тепла, массы, импульса) - теплообмена, перемешивания, сушки, адсорбции, при описании движения макро- и микрочастиц.

В ряде случаев дифференциальное уравнение можно преобразовать к виду, в котором старшая производная выражена в явном виде. Такая форма записи называется уравнением, разрешенным относительно старшей производной (при этом в правой части уравнения старшая производная отсутствует):

. (1)

Решением обыкновенного дифференциального уравнения называется такая функция y(x), которая при любых х удовлетворяет этому уравнению в определенном конечном или бесконечном интервале. Процесс решения дифференциального уравнения называют интегрированием дифференциального уравнения.

Исторически первым и наиболее простым способом численного решения задачи Коши для ОДУ первого порядка является метод Эйлера. В его основе лежит аппроксимация производной отношением конечных приращений зависимой y и независимой x переменных между узлами равномерной сетки:

, (2)

где y_i+1 это искомое значение функции в точке x_i+1.

Точность метода Эйлера можно повысить, если воспользоваться для аппроксимации интеграла более точной формулой интегрирования -формулой трапеций. Данная формула оказывается неявной относительно y_i+1 (это значение есть и в левой и в правой части выражения), то есть является уравнением относительно y_i+1, решать которое можно, например, численно, применяя какой-либо итерационный метод (в таком виде его можно рассматривать как итерационную формула метода простой итерации) [19].

1.4.1.2 Метод Рунге -- Кутты

Методы Рунге-Кутты -- важное семейство численных алгоритмов решения обыкновенных дифференциальных уравнений и их систем. Данные итеративные методы явного и неявного приближённого вычисления были разработаны около 1900 года немецкими математиками К. Рунге и М. В. Куттой.

Формально, методом Рунге--Кутты является модифицированный и исправленный метод Эйлера, они представляют собой схемы второго порядка точности. Существуют стандартные схемы третьего порядка, не получившие широкого распространения. Наиболее часто используется и реализована в различных математических пакетах (Maple, MathCAD, Maxima) стандартная схема четвёртого порядка. Иногда при выполнении расчётов с повышенной точностью применяются схемы пятого и шестого порядков. Построение схем более высокого порядка сопряжено с большими вычислительными трудностями. Методы седьмого порядка должны иметь, по меньшей мере девять стадий, в схему восьмого порядка входит 11 стадий. Хотя схемы девятого порядка не имеют большой практической значимости, неизвестно, сколько стадий необходимо для достижения этого порядка точности. Аналогичная задача существует для схем десятого и более высоких порядков.

Метод Рунге -- Кутты четвёртого порядка столь широко распространён, что его часто называют просто методом Рунге -- Кутты. Рассмотрим задачу Коши:

,. (3)

Тогда приближенное значение в последующих точках вычисляется по итерационной формуле:

. (4)

Вычисление нового значения проходит в четыре стадии:

,

,

,

, (5)

где h -- величина шага сетки по x.

Этот метод имеет четвёртый порядок точности, то есть суммарная ошибка на конечном интервале интегрирования имеет порядок (ошибка на каждом шаге порядка [20].

1.4.2 Алгоритмы шифрования

1.4.2.1 bcrypt

bcrypt -- адаптивная криптографическая функция формирования ключа, используемая для защищенного хранения паролей. Разработчики: Нильс Провос и David Maziиres. Функция основана на шифре Blowfish, впервые представлена на USENIX в 1999 году. Для защиты от атак с помощью радужных таблиц bcrypt использует соль (salt); кроме того функция является адаптивной, время её работы легко настраивается и её можно замедлить, чтобы усложнить атаку перебором.

Шифр Blowfish отличается от многих алгоритмов вычислительно сложной фазой подготовки ключей шифрования (англ.).

Провос и Maziиres воспользовались этой особенностью, но изменили алгоритм подготовки ключей, получив шифр «Eksblowfish» (expensive key schedule Blowfish). Количество раундов в подготовке ключей должно быть степенью двойки; конкретная степень может задаваться при использовании bcrypt.

Изначально реализовано в функции crypt в OpenBSD. Существуют реализации для Java, Python, C#, Ruby, Perl, PHP 5.3, Node.js и некоторых других [9]

bcrypt был разработан в 1999 году и был защищен от эффективного перебора на аппаратных средствах того времени. В настоящее время получили широкое распространение ПЛИС, в которых bcrypt реализуется эффективнее. В 2009 был создан алгоритм scrypt, требующий для своей работы значительный объем памяти (со случайным доступом), объем памяти настраивается[3].

В сравнении с PBKDF2, алгоритм расширения ключа в bcrypt практически не исследовался криптографами [21].

1.4.2.2 SHA-1

Secure Hash Algorithm 1 -- алгоритм криптографического хеширования. Описан в RFC 3174. Для входного сообщения произвольной длины (максимум 2⁶⁴-1 бит, что примерно равно 2 эксабайта) алгоритм генерирует 160-битное хеш-значение, называемое также дайджестом сообщения. Используется во многих криптографических приложениях и протоколах. Также рекомендован в качестве основного для государственных учреждений в США. Принципы, положенные в основу SHA-1, аналогичны тем, которые использовались Рональдом Ривестом при проектировании MD4.

В 1993 году NSA совместно с NIST разработали алгоритм безопасного хеширования (сейчас известный как SHA-0) (опубликован в документе FIPS PUB 180) для стандарта безопасного хеширования. Однако вскоре NSA отозвало данную версию, сославшись на обнаруженную ими ошибку, которая так и не была раскрыта. И заменило его исправленной версией, опубликованной в 1995 году в документе FIPS PUB 180-1. Эта версия и считается тем, что называют SHA-1. Позже, на конференции CRYPTO в 1998 году два французских исследователя представили атаку на алгоритм SHA-0, которая не работала на алгоритме SHA-1 Возможно, это и была ошибка, открытая NSA.

SHA-1 реализует хеш-функцию, построенную на идее функции сжатия. Входами функции сжатия являются блок сообщения длиной 512 бит и выход предыдущего блока сообщения. Выход представляет собой значение всех хеш-блоков до этого момента. Хеш-значением всего сообщения является выход последнего блока [22].

1.4.2.3 SHA-2

Secure Hash Algorithm Version 2 -- безопасный алгоритм хеширования, версия 2) -- семейство криптографических алгоритмов -- однонаправленных хеш-функций, включающее в себя алгоритмы SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512, SHA-512/256 и SHA-512/224. Хеш-функции предназначены для создания «отпечатков» или «дайджестов» сообщений произвольной битовой длины. Применяются в различных приложениях или компонентах, связанных с защитой информации.

Хеш-функции SHA-2 разработаны Агентством национальной безопасности США и опубликованы Национальным институтом стандартов и технологий в федеральном стандарте обработки информации FIPS PUB 180-2 в августе 2002 года. В этот стандарт также вошла хеш-функция SHA-1, разработанная в 1995 году. В феврале 2004 года в FIPS PUB 180-2 была добавлена SHA-224. В октябре 2008 года вышла новая редакция стандарта -- FIPS PUB 180-3. В марте 2012 года вышла последняя на данный момент редакция FIPS PUB 180-4, в которой были добавлены функции SHA-512/256 и SHA-512/224, основанные на SHA-512 (поскольку на 64-битных архитектурах SHA-512 работает быстрее, чем SHA-256).

В июле 2006 года появился стандарт RFC 4634 «Безопасные хеш-алгоритмы США (SHA и HMAC-SHA)», описывающий SHA-1 и семейство SHA-2.

Агентство национальной безопасности от лица государства выпустило патент на SHA-2 под лицензией Royalty-free [23].

1.4.3 Математическая статистика

Во многих своих разделах математическая статистика опирается на теорию вероятностей, дающую возможность оценить надёжность и точность выводов, делаемых на основании ограниченного статистического материала (напр., оценить необходимый объём выборки для получения результатов требуемой точности при выборочном обследовании).

Математическая статистика -- раздел математики, разрабатывающий методы регистрации, описания и анализа данных наблюдений и экспериментов с целью построения вероятностных моделей массовых случайных явлений. В зависимости от математической природы конкретных результатов наблюдений статистика математическая делится на статистику чисел, многомерный статистический анализ, анализ функций (процессов) и временных рядов, статистику объектов нечисловой природы.

Выделяют описательную статистику, теорию оценивания и теорию проверки гипотез. Описательная статистика есть совокупность эмпирических методов, используемых для визуализации и интерпретации данных (расчет выборочных характеристик, таблицы, диаграммы, графики и т. д.), как правило, не требующих предположений о вероятностной природе данных. Некоторые методы описательной статистики предполагают использование возможностей современных компьютеров. К ним относятся, в частности, кластерный анализ, нацеленный на выделение групп объектов, похожих друг на друга, и многомерное шкалирование, позволяющее наглядно представить объекты на плоскости.

Методы оценивания и проверки гипотез опираются на вероятностные модели происхождения данных. Эти модели делятся на параметрические и непараметрические. В параметрических моделях предполагается, что характеристики изучаемых объектов описываются посредством распределений, зависящих от (одного или нескольких) числовых параметров. Непараметрические модели не связаны со спецификацией параметрического семейства для распределения изучаемых характеристик. В математической статистике оценивают параметры и функции от них, представляющие важные характеристики распределений (например, математическое ожидание, медиана, стандартное отклонение, квантили и др.), плотности и функции распределения и пр. Используют точечные и интервальные оценки.

Большой раздел современной математической статистики -- статистический последовательный анализ, фундаментальный вклад в создание и развитие которого внес А. Вальд во время Второй мировой войны. В отличие от традиционных (непоследовательных) методов статистического анализа, основанных на случайной выборке фиксированного объема, в последовательном анализе допускается формирование массива наблюдений по одному (или, более общим образом, группами), при этом решение об проведении следующего наблюдения (группы наблюдений) принимается на основе уже накопленного массива наблюдений. Ввиду этого, теория последовательного статистического анализа тесно связана с теорией оптимальной остановки.

В математической статистике есть общая теория проверки гипотез и большое число методов, посвящённых проверке конкретных гипотез. Рассматривают гипотезы о значениях параметров и характеристик, о проверке однородности (то есть о совпадении характеристик или функций распределения в двух выборках), о согласии эмпирической функции распределения с заданной функцией распределения или с параметрическим семейством таких функций, о симметрии распределения и др.

Большое значение имеет раздел математической статистики, связанный с проведением выборочных обследований, со свойствами различных схем организации выборок и построением адекватных методов оценивания и проверки гипотез.

Задачи восстановления зависимостей активно изучаются более 200 лет, с момента разработки К. Гауссом в 1794 г. метода наименьших квадратов.

Разработка методов аппроксимации данных и сокращения размерности описания была начата более 100 лет назад, когда К. Пирсон создал метод главных компонент. Позднее были разработаны факторный анализ и многочисленные нелинейные обобщения.

Различные методы построения (кластер-анализ), анализа и использования (дискриминантный анализ) классификаций (типологий) именуют также методами распознавания образов (с учителем и без), автоматической классификации и др.

В настоящее время компьютеры играют большую роль в математической статистике. Они используются как для расчётов, так и для имитационного моделирования (в частности, в методах размножения выборок и при изучении пригодности асимптотических результатов) [24].

1.4.4 Средства разработки информационной системы

1.4.4.1 Unified Modeling Language

Unified Modeling Language (UML) -- унифицированный язык моделирования) -- язык графического описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения, моделирования бизнес-процессов, системного проектирования и отображения организационных структур.

UML является языком широкого профиля, это -- открытый стандарт, использующий графические обозначения для создания абстрактной модели системы, называемой UML-моделью. UML был создан для определения, визуализации, проектирования и документирования, в основном, программных систем. UML не является языком программирования, но на основании UML-моделей возможна генерация кода.

UML позволяет также разработчикам программного обеспечения достигнуть соглашения в графических обозначениях для представления общих понятий (таких как класс, компонент, обобщение (англ. generalization), агрегация (англ. aggregation) и поведение) и больше сконцентрироваться на проектировании и архитектуре [25].

1.4.4.2 HyperText Markup Language

HyperText Markup Language (HTML) -- «язык гипертекстовой разметки») -- стандартизированный язык разметки документов во Всемирной паутине. Большинство веб-страниц содержат описание разметки на языке HTML (или XHTML). Язык HTML интерпретируется браузерами; полученный в результате интерпретации форматированный текст отображается на экране монитора компьютера или мобильного устройства.

Язык HTML является приложением SGML (стандартного обобщённого языка разметки) и соответствует международному стандарту ISO 8879.

Язык XHTML является более строгим вариантом HTML, он следует всем ограничениям XML и, фактически, XHTML можно воспринимать как приложение языка XML к области разметки гипертекста.

Во всемирной паутине HTML-страницы, как правило, передаются браузерам от сервера по протоколам HTTP или HTTPS, в виде простого текста или с использованием шифрования [26].

1.4.4.3 JavaScript

JavaScript (JS) -- прототипно-ориентированный сценарный язык программирования. Является реализацией языка ECMAScript.

JavaScript обычно используется как встраиваемый язык для программного доступа к объектам приложений. Наиболее широкое применение находит в браузерах как язык сценариев для придания интерактивности веб-страницам.

Основные архитектурные черты: динамическая типизация, слабая типизация, автоматическое управление памятью, прототипное программирование, функции как объекты первого класса.

На JavaScript оказали влияние многие языки, при разработке была цель сделать язык похожим на Java, но при этом лёгким для использования непрограммистами. Языком JavaScript не владеет какая-либо компания или организация, что отличает его от ряда языков программирования, используемых в веб-разработке.

Название «JavaScript» является зарегистрированным товарным знаком компании Oracle Corporation [27].



1.4.4.4 Cascading Style Sheets

Cascading Style Sheets (CSS) -- каскадные таблицы стилей -- формальный язык описания внешнего вида документа, написанного с использованием языка разметки.

Преимущественно используется как средство описания, оформления внешнего вида веб-страниц, написанных с помощью языков разметки HTML и XHTML, но может также применяться к любым XML-документам, например, к SVG или XUL.

CSS используется создателями веб-страниц для задания цветов, шрифтов, расположения отдельных блоков и других аспектов представления внешнего вида этих веб-страниц. Основной целью разработки CSS являлось разделение описания логической структуры веб-страницы (которое производится с помощью HTML или других языков разметки) от описания внешнего вида этой веб-страницы (которое теперь производится с помощью формального языка CSS). Такое разделение может увеличить доступность документа, предоставить большую гибкость и возможность управления его представлением, а также уменьшить сложность и повторяемость в структурном содержимом. Кроме того, CSS позволяет представлять один и тот же документ в различных стилях или методах вывода, таких как экранное представление, печатное представление, чтение голосом (специальным голосовым браузером или программой чтения с экрана), или при выводе устройствами, использующими шрифт Брайля [28].

1.4.4.5 Java

Java -- объектно-ориентированный язык программирования, разработанный компанией Sun Microsystems (в последующем приобретенной компанией Oracle). Приложения Java обычно транслируются в специальный байт-код, поэтому они могут работать на любой виртуальной Java-машине вне зависимости от компьютерной архитектуры. Дата официального выпуска -- 23 мая 1995 года.

Изначально язык назывался Oak («Дуб») разрабатывался Джеймсом Гослингом для программирования бытовых электронных устройств. Впоследствии он был переименован в Java и стал использоваться для написания клиентских приложений и серверного программного обеспечения. Назван в честь марки кофе Java, которая, в свою очередь, получила наименование одноимённого острова (Ява), поэтому на официальной эмблеме языка изображена чашка с горячим кофе. Существует и другая версия происхождения названия языка, связанная с аллюзией на кофе-машину как пример бытового устройства, для программирования которого изначально язык создавался [29].

Основные возможности:

- автоматическое управление памятью;

- расширенные возможности обработки исключительных ситуаций;

- богатый набор средств фильтрации ввода-вывода;

- набор стандартных коллекций: массив, список, стек и т. п.;

- наличие простых средств создания сетевых приложений (в том числе с использованием протокола RMI);

- наличие классов, позволяющих выполнять HTTP-запросы и обрабатывать ответы;

- встроенные в язык средства создания многопоточных приложений, которые потом были портированы на многие языки (например, python);

- унифицированный доступ к базам данных:

o на уровне отдельных SQL-запросов -- на основе JDBC, SQLJ;

o на уровне концепции объектов, обладающих способностью к хранению в базе данных -- на основе Java Data Objects (англ.) и Java Persistence API;

- поддержка обобщений (начиная с версии 1.5);

- поддержка лямбд, замыканий, встроенные возможности функционального программирования (с 1.8);

- множество вариантов реализации многопоточных программ.

1.4.4.6 Structured Query Language

Structured Query Language -- язык структурированных запросов -- формальный непроцедурный язык программирования, применяемый для создания, модификации и управления данными в произвольной реляционной базе данных, управляемой соответствующей СУБД. SQL основывается на исчислении кортежей.

Язык SQL представляет собой совокупность

- операторов;

- инструкций;

- вычисляемых функций.

Создатели реляционной модели данных Эдгар Кодд, Кристофер Дейт и их сторонники указывают на то, что SQL не является истинно реляционным языком. В частности, они указывают на следующие дефекты SQL с точки зрения реляционной теории:

...