Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО - СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет информационных систем и технологий

Кафедра прикладной математики и вычислительной техники

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к выпускной квалификационной работе на тему:

Информационная система формирования разновозрастных исследовательских микро коллективов

ВЫПОЛНИЛ: студент /Никулина О.А./

РУКОВОДИТЕЛЬ РАБОТЫ /Елунин М.Н./

КУРАТОР РАБОТЫ /Дерябкин В.П./

КОНСУЛЬТАНТЫ: по системному проектированию и БД /Дерябкин В.П./

НОРМОКОНТРОЛЁР /Камальдинова З.Ф./

Самара 2015 г.



РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная работа.

Пояснительная записка: 125 с., 52 рис., 16 табл., 30 источников, 4 приложения.

ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС, СТУДЕНЧЕСКИЙ КОЛЛЕКТИВ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, МИКРО КОЛЛЕКТИВ, ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА, ОПТИМИЗАЦИЯ.

Целью работы является повышение эффективности формирования цепочек руководства матричной структуры за счёт предоставления возможности учёта эффективности взаимодействия и пожелания парного взаимодействия студентов.

Система спроектирована по методологии UML и реализована на языке программирования C# с использованием технологии ASP.NET MVC3 в среде Visual Studio 2012 Express.

Основное назначение системы формирование оптимальных исследовательских студенческих микро коллективов. Функциональными возможностями системы являются: предоставление информационных отчетов. Доступ к которым осуществляется в соответствии с правами пользователей.

По окончанию разработки информационная система внедрена на ФИСТ СГАСУ.



СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

В данной работе используются следующие условные обозначения:

БД - база данных

Гб - гигабайт

Гц - герц

ИС - информационная система

Мб - мегабайт

ОС - операционная система

ПО - программное обеспечение

ПМиВТ - [кафедра] прикладной математики и вычислительной техники

СГАСУ - Самарский государственный архитектурно-строительный университет

СУБД - система управления базами данных

НИГС - Научно исследовательские группы студентов

ФИСТ - факультет информационных систем и технологий

Uml - Unified Modeling Language -- унифицированный язык моделирования



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Заказчик

1.2 Описание и анализ предметной области

1.3 Обзор аналогов и прототипа

1.3.1 Формы образовательного процесса

1.3.2 Сравнительный анализ форм обучения

1.4 Обоснование цели создания ИС

1.5 Математическая модель

1.5.1 Структура данных математической модели

1.5.2 Условные обозначения

1.5.3 Пример реализации математической модели

1.6 Модель анализа разрабатываемой системы

1.6.1 Краткое описание методологии UML

1.6.2 Диаграмма вариантов использования

1.6.3 Сценарии вариантов использования

1.6.4 Диаграмма сущностных классов

1.6.5 Диаграмма граничных классов

1.6.6 Диаграмма состояний

1.6.7 Диаграмма классов управления

2. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТА

2.1 Архитектура и платформа реализации

2.2 Физическая структура БД

2.3 Расчёт комплекса технических средств

2.3.1 Расчёт необходимого объёма внешней памяти

2.3.2 Расчёт необходимого объёма оперативной памяти

2.3.3 Требования к программному обеспечению

2.4 Основные интерфейсы

2.5 Диаграмма компонентов

2.6 Диаграмма развёртывания

2.7 Описание схем алгоритмов

2.7.1 Схема алгоритма формирования страницы отчёта

2.7.2 Схема алгоритма формирования исследовательских микро коллективов

2.8 Программа и методика испытаний

2.9 Контрольный пример

2.10 Руководство пользователя

3. ВНЕДРЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ

3.1 Описание объекта внедрения

3.2 Описание хода внедрения

3.3 Описание результатов внедрения

3.4 Анализ и выводы

4. БИЗНЕС ПЛАН

5. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ

5.1 Постановка задачи

5.2 Статистическая обработка и анализ результатов

5.3 Основное содержание исследований

5.4 Анализ полученных результатов

6. ОРГАНИЗАЦИОННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ И САМОРАЗВИТИЕ

6.1 Сведения о деятельности возглавляемой научной группе

6.2 Значимые профессиональные сертификаты

6.3 Перечень публикаций

6.4 Перечень участия в конференциях

6.5 Перечень курсовых работ и проектов

6.6 Портфолио

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г



ВВЕДЕНИЕ

Одной из самых важных функций высшей школы на сегодняшний день является ведение научно-исследовательской деятельности, в которой задействованы и студенты, и преподаватели соответствующих кафедр. Выполнение научных работ часто ведётся коллективами авторов для более глубокой и детальной проработки темы. Следовательно, появляется проблема организации коллективной деятельности. Современные технологии позволяют перевести коллективное взаимодействие на новый уровень, обеспечивая необходимые профессиональные контакты и в виртуальном пространстве. Разнообразные и многочисленные интернет-порталы предоставляют широкий функционал как для общения и поиска нужной информации, так и для организации коллективной работы. Информатизация научно-исследовательской деятельности открывает новые возможности и перспективы. Для массового вовлечения студентов в исследовательскую деятельность необходимо иметь схему формирования студенческих научных коллективов. Формы организации образовательного процесса разнообразны, но наиболее интересной и успешно реализованной на факультете ИСТ СГАСУ является предложенная профессором С.А. Пиявским концепция матричной структуры студенческого коллектива. Основной идеей матричной структуры является то, что студент одновременно состоит в двух коллективах: учебной группе и научной группе. Научные группы формируются по принципу «шефства», т.е. студенты старших курсов руководят научной работой младших курсов, а работу всей научной группы курирует преподаватель.



1. СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Заказчик

Информационная система формирования разновозрастных исследовательских коллективов разрабатывается для факультета информационных систем и технологий (ФИСТ) самарского государственного архитектурно-строительного университета (СГАСУ).

Выделим основные объекты, участвующие в функционировании данной системы, и определим их взаимосвязи. Основными объектами системы являются студенты, как сущности для формирования студенческого научно-исследовательского коллектива. Коллектив формируется на основе учебных групп студентов и представляет собой матрицу студентов, в которую включаются студенты разных учебных групп. Студенты подбираются по принципу старшинства - студенты старшего курса руководят младшими курсами. Таким образом, из студентов формируются микро коллективы. Формирование происходит по математической модели, разработанной на кафедре ПМиВТ СГАСУ которая учитывает желание к совместному сотрудничеству.

1.2 Описание и анализ предметной области

Образовательный процесс (ОП) - это целенаправленная деятельность по обучению, воспитанию и развитию личности путем организованных учебно-воспитательных и учебно-познавательных процессов в единстве с самообразованием этой личности, обеспечивающая усвоение знаний, умений и навыков на уровне не ниже государственного образовательного стандарта.

Образовательный процесс необходимо рассматривать как целостную динамическую систему, системообразующим фактором которой является цель педагогической деятельности - образование человека. Данная система имеет специфические процессуальные компоненты. Наиболее значимыми из них являются процессы обучения и воспитания, которые ведут к внутренним процессам изменения образованности, воспитанности и развитости личности. Процессы обучения и воспитания также состоят из определенных процессов. Например, процесс обучения состоит из взаимосвязанных процессов преподавания и учения, воспитания - из процесса воспитательных воздействий, процесса принятия их личностью и возникающего при этом процесса самовоспитания.

1.3 Обзор аналогов и прототипа

1.3.1 Формы образовательного процесса

Индивидуальная и индивидуально-групповая формы обучения

Одной из первоначальных форм организации обучения выступает индивидуальная форма обучения, она была наиболее распространена с периода древних цивилизаций и до средневековья. Её суть в том, что учитель общался с учеником индивидуально, что позволяло находить личный подход к ученику, но являлось неэкономичным. На смену индивидуальной форме обучения пришла индивидуально-групповая форма, в которой учитель занимался с группой учеников примерно одного возраста и уровня подготовки. Она быстро перестала отвечать потребностям общества, т.к. позволяла получать только элементарные навыки.

Классно-урочная форма обучения.

Развитие на рубеже XVI-XVII вв. машинного производства, торговли, культуры породило потребность в новой форме организации образовательного процесса. В XVII в. возникла и развивается уже более трех столетий классно-урочная форма обучения. Ее контуры очертили отцы-иезуиты под руководством И. Лойолы, усовершенствовал систему немецкий педагог И. Штурм, а разработал теоретические основы и воплотил в массовую практическую технологию чешский педагог Я.А. Коменский [5]. Классно-урочную форму организации обучения отличают следующие особенности:

- постоянный состав учащихся примерно одного возраста и уровня подготовленности (класс);

- каждый класс работает в соответствии со своим годовым планом (планирование обучения);

- учебный процесс осуществляется в виде отдельных взаимосвязанных, следующих одна за другой частей (уроков);

- каждый урок посвящается только одному предмету (монизм);

- постоянное чередование уроков (расписание);

- руководящая роль учителя (педагогическое управление);

- применение различных видов и форм познавательной деятельности учащихся (вариативность деятельности).

Классно-урочная форма имеет ряд преимуществ по сравнению с другими формами, в частности индивидуальной: она отличается более строгой организационной структурой, является экономной, поскольку один учитель работает одновременно с большой группой учащихся, создает благоприятные предпосылки для взаимообучения, коллективной деятельности, соревновательности воспитания и развития учащихся. Вместе с тем эта форма организации обучения не лишена недостатков, снижающих ее эффективность; главный среди них -- опора (ориентация) на «среднего» ученика, отсутствие возможности осуществления индивидуальной учебно-воспитательной работы с учащимися. Недостатки классно-урочной системы, признанной традиционной формой обучения, на протяжении веков вызывали критику и стремление к поискам более совершенных форм обучения.

Белл-Ланкастерская система

Одной из интереснейших форм построение обучения является Белл-Ланкастерская система - форма учебной работы, сущность которой состояла в обучении более старшими и знающими учениками (мониторами) учеников младшего возраста. Эта система возникла в 1798 году в Великобритании. Е? разработчиками стали независимо друг от друга доктор Эндрю Белл и Джозеф Ланкастер [6]. Вначале учитель занимается со старшими учащимися, которые, получив определ?нные знания, начинают обучать им, под руководством учителя, более младших учащихся. Эти старшие и более успевающие учащиеся назывались мониторами. Основные преимущества такой системы: объяснение материала младшим школьникам давалось на доступном им уровне, так как нивелировалась разница в возрасте и интеллектуальном развитии; система стимулировала мониторов к самообразованию. Основной недостаток такой системы: отсутствие у учащихся необходимых педагогических знаний и умений.

Мангеймская система

В поисках решения проблемы индивидуализации обучения при сохранении его массовости и коллективной организации в конце XI - начале XX в. родилась мангеймская система. Автор системы - немецкий педагог И.А. Зиккенгер. Классы дифференцировались по составу учащихся с учетом уровня их интеллектуальных способностей и успешности учебной деятельности на четыре уровня: основной, поддерживающий, вспомогательный и переходный. Отбор детей производился на основе психометрических обследований, характеристик учителей и результатов экзаменов.

Дальтон-план и бригадно - лабораторный метод

Наиболее радикальной из распространенных систем организации обучения на индивидуальной основе стала система, созданная в начале XX в. учительницей Еленой Паркхерст. Эту систему называют Дальтон-планом или индивидуализированными лабораторными занятиями. Обучение организовано так, что преобладает самостоятельная учебная деятельность ученика, а роль учителя состоит в организации этой деятельности. Учащиеся получают в начале учебного года по каждому предмету одно задание, рассчитанное на целый год. Задание разбито по месяцам, неделям и дням с указанием сроков выполнения и отчетов. Ученики также получают все необходимые учебные пособия и различные письменные инструкции, которые содержат подробные указания по выполнению заданий. Проводится регулярный контроль за выполнением учебного плана. На каждого учащегося вводится специальная карточка и учитель ежемесячно вывешивает для всеобщего ознакомления таблицу с результатами выполнении учащимися заданий. Дальтон - план вначале привл?к внимание педагогов во всем мире. На основе всех вышеизложенных форм обучения профессором СГАСУ С.А. Пиявским была предложена концепция матричной структуры организации студенческого коллектива. Она учитывает сильные и слабые стороны различных форм организации образовательного процесса. И в основном опирается на Белл-Ланкастерскую систему и бригадно лабораторный метод обучения, организованные параллельно с классно-урочной формой обучения.

1.3.2 Сравнительный анализ форм обучения

В таблице 1.1 приведен сравнительный анализ форм образовательного процесса по критериям. В качестве критериев для сравнения были выбраны:

- взаимообучение;

- индивидуальность;

- качество знаний;

- массовость;

- роль преподавателя;

- соперничество;

- экономичность;

- поддержка иерархической структуры;

- наглядность;

- математическая модель;

- интерактивность;

- установка;

- параметры расчета.

Проанализиров их, я выявила следующие элементы тезауруса:

1. Поддержка иерархической структуры

2. Актуальность

3. Наглядность

4. Математическая модель

5. Интерактивность

6. Установка

7. Параметры расчета

8. Взаимообучение

9. Индивидуальность

10. Качество знаний

11. Массовость

12. Роль преподавателя

13. Соперничество

14. Экономичность

15. Оценка

16. Отсутствует

17. Слабо выражена

18. Присутствует

В результате поиска в интернет-источниках, я выявила ряд фактографических данных и сформировала таблицу Excel в АТБД. В ней представлены характеристики объектов предметной области (рисунок 1.1):

0 - характеристика не выражена в объекте;

1 - характеристика выражена слабо;

2 - характеристика выражена достаточно.



Рисунок 1.1 - Фрагмент фактографической БД в Excel (всего содержит 90 фактов)

Далее, я разработала макет таблицы содержащий основные данные: пропуски отвечают данным, которые не обнаружены при поиске.

Таблица 1.1 - Сравнительная таблица

	Индивидуальная	Классноурочная	Белл-Ланкастерская	Мангейм-ская	Дальтон-план	Матричная структура
Взаимообучение	0	2	1	1	1	2
Индивидуальность	2	0	1	1	0	1
Качество знаний	2	1	?	?	1	2
Массовость	?	2	2	1	2	2
Роль преподавателя	2	1	1	1	?	1
Соперничество	?	2	1	0	1	1
Экономичность	0	2	2	1	2	1
Поддержка иерархической структуры	?	0	0	?	0	2
Наглядность	1	1	1	1	1	2
Математическая модель	0	0	0	0	?	2
Интерактивность	0	0	?	0	0	2
Установка	0	0	0	0	?	2
Параметры расчета	?	0	0	?	0	2

Фактографические ИПС позволяют пользователю выделить из имеющегося информационного массива кластер максимальной информативности, чтобы получить частичное, но целостное представление о предметной области. Я реализовала и проверила это на тестовом примере. Соответствующая математическая модель представлена на рисунках 1.2, 1.3, 1.4. Информативность исходного информационного массива 33%:

Рисунок 1.2 - Тестовый пример



Рисунок 1.3 ? Условия

Рисунок 1.4 ? Итоговый кластер в тестовом примере (информативность 90%).

В дальнейшем, я применила эту модель для анализа предметной области своей ВКР (Рисунки 1.5, 1.6, 1.7). Информативность собранной информации составил 33%:

Рисунок 1.5 - Общая таблица данных

Рисунок 1.6 - Условия для своей ВКР

Рисунок 1.7 - Итоговый кластер (информативность 76%)

Анализ таблицы показывает что Белл?Ланкастерская форма обучения и Дальтон-план не учитывают в полной мере всех рассматриваемых критериев. Классно?урочная форма является традиционной формой обучения в отличие от концепции матричной структуры, которая в дополнение к ней учитывает сильные стороны Белл?Ланкастерская форма обучения и бригадно-лабораторный метод. Это обеспечивает матричной структуре более широкий диапазон применения. А именно, она используется в организации научно-исследовательской деятельности студентов высших учебных заведений. Качество матричной структуры улучшено системой формирования разновозрастных исследовательских микро коллективов, разработанной специально для факультета ИСТ СГАСУ. Она учитывает специфику организации учебного процесса на данном факультете. А именно, параллельно учебным группам студентов, формируются научно-исследовательские группы, состоящие из студентов 1?4 курсов, магистрантов, аспирантов и преподавателей. Микро коллективы формируются по принципу старшинства - старшие курсы руководят младшими.

1.4 Обоснование цели создания ИС

В рамках выпускной квалификационной работы необходимо создать модуль «ИС формирования разновозрастных исследовательских микроколлективов» с целью улучшения существующей системы и повышения эффективности формирования цепочек руководства матричной структуры, при помощи разработанного С.А. Пиявским математического аппарата, который учитывает эффективность взаимодействия и пожелания парного взаимодействия студентов.

Данная система должна включаться в информационный портал факультета информационных систем и технологий (ФИСТ) самарского государственного архитектурно-строительного университета (СГАСУ) «Кабинеты научно-исследовательских групп студентов (НИГС)». Портал содержит авторизацию пользователей и имеет возможность разграничения прав пользователей

Модуль «ИС формирования разновозрастных исследовательских микро коллективов» должен предоставлять следующие возможности:

1) производить расчет формирования научных микро коллективов, формирующих общую структуру, используя в качестве исходной информации результаты тестирования и опросов студентов, а так же возможного парного взаимодействия, содержащиеся в базе данных факультета. Научные микро коллективы формируется из студентов 1-4 курсов.

2) формирование и выдача отчетов:

- отчёт эффективности парного взаимодействия между смежных курсов;

- отчёт промежуточного вычисления суммарной эффективности разновозрастных исследовательских микро коллективов;

- отчет возможного парного взаимодействия;

- отчет по формированию разновозрастных исследовательских микро коллективов в целом.

1.5 Математическая модель

Для решения задач в ИС формирования разновозрастных исследовательских микро коллективов был необходим математический аппарат. Он должен подбирать оптимальные и в тоже время эффективные научные группы на основе двух критериев: личная заинтересованность в сотрудничестве и эффективность взаимодействия студентов.

Вышеперечисленным требованиям соответствует математический аппарат, разработанный на кафедре ПМиВТ профессором Пиявским С.А.

1.5.1 Структура данных математической модели

При формировании разновозрастных исследовательских микро коллективов необходимо учитывать фактор готовности (заинтересованности) в сотрудничестве друг с другом как с личностями.

1.5.2 Условные обозначения

Для описания математической модели введем следующие условные обозначения.

- признак принадлежности студента к определённому курсу.

l - курс студента.

j - номер сформированной группы.

- признак включения i-го студента в j-ю цепочку.

коэффициент взаимодействия студента s и t.

t студент старшего курса.

s студент младшего курса.

Признак принадлежности студента к определённому курсу находится по формуле (1.1):

(1.1)

Условие что студент входит в цепочку ровно 1 раз (1.2):

Условие того что в каждой цепочке по 1 студенту с курса l (1.3):

Комплексная формула нахождения максимального коэффициента разновозрастного исследовательского микро коллектива (1.4):

1.5.3 Пример реализации математической модели

Для тестирования математической модели оно была реализована в Microsoft Office Excel, так как у данного табличного редактора есть необходимый функционал. Вручную была заполнена исходная информация, необходимая для дальнейших расчетов. На рисунке 1.8 представлены заполненные исходные данные одного из курсов для расчета математической модели в Microsoft Office Excel.

Рисунок 1.8 ? Исходные данные для расчета математической модели в Microsoft Office Excel.

1.6 Модель анализа разрабатываемой системы

1.6.1 Краткое описание методологии UML

UML (англ. Unified Modeling Language -- унифицированный язык моделирования) -- язык графического описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения. 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.

Представления о модели сложной системы фиксируются на языке UML в виде специальных графических конструкций - диаграмм:

1) Вариантов использования;

2) Классов;

3) Поведения:

a. Состояний;

b. Деятельности;

c. Взаимодействия:

- последовательности;

- кооперации;

4) Реализации:

a. Компонентов;

b. Развертывания.

1.6.2 Диаграмма вариантов использования

Диаграмма вариантов использования описывает функциональное назначение системы. Она является исходным концептуальным представлением системы и строится с целью:

- определить общие границы и контекст моделируемой предметной области;

- сформировать общие требования к функциональному поведению и интерфейсу системы;

- подготовить исходную документацию для взаимодействия разработчиков и заказчиков - пользователей системы.

В диаграмму вариантов использования входят актанты (actors), варианты использования (use case) и ассоциации (association). Актант - абстрактное описание класса источников/приемников сообщений, которые напрямую взаимодействуют с системой, подсистемой или классом.

Вариант использования - сервис или последовательность действий системы, которые предоставляются актанту в ответ на его запросы. Вариант использования имеет имя и означает некоторую последовательность действий, видимых внешнему источнику/приемнику (актанту).

Содержание варианта использования может быть представлено в форме дополнительного пояснительного текста, который раскрывает смысл или семантику действий при выполнении данного варианта использования. Такой пояснительный текст получил название текста-сценария или просто сценария. Далее в этой главе рассматривается один из шаблонов, который может быть рекомендован для написания сценариев вариантов использования.

Связь между актантом и вариантом использования показывается ассоциацией. Между собой варианты использования не обмениваются сообщениями и могут находиться только в отношениях (связях) расширения (extend), включения (include) и обобщения (generalization).

Диаграмма вариантов использования разрабатываемой системы представлена на рисунке 1.9. Система содержит актант координатор научных групп. У студента есть возможность формировать отчет о текущем распределении по курсу. Координатор научных групп может производить расчет цепочек руководства студентов на факультете, а также формировать отчеты о текущем распределении по курсу и по отдельному студенту. Администратору доступны функции ведения оперативной информации и справочника парного взаимодействия.

Рисунок 1.9 - Диаграмма вариантов использования системы

1.6.3 Сценарии вариантов использования

Сценарий использования, вариант использования, прецедент или же пользовательский сценарий (англ. Use Case) в разработке программного обеспечения и системном проектировании это описание поведения системы, которым она отвечает на внешние запросы. Другими словами, сценарий использования описывает, «кто» и «что» может сделать с рассматриваемой системой. Методика сценариев использования применяется для выявления требований к поведению системы, известных также как функциональные требования. Ниже приведены сценарии для вариантов использования «Формирование разновозрастных исследовательских микро коллективов».

Вариант использования: Формирование разновозрастных исследовательских микро коллективов.

Краткое описание. Позволяет Координатору научных групп построить исследовательские микро коллективы среди студентов факультета.

Актант. Координатор научных групп.

Предусловия. На экране - главная web-страница приложения с пунктами меню, настроенными на права Координатора научных групп.

Основной поток событий

1. Координатор научных групп активирует пункт меню «Формирование разновозрастных исследовательских микро коллективов».

2. Система выводит на экран web-страницу «Формирование разновозрастных исследовательских микро коллективов», содержащую раскрывающийся список «Выбор семестра» и кнопку «Получить исходные данные».

3. Координатор научных групп выбирает семестр и нажимает кнопку «Получить исходные данные» для формирования эффективности парного взаимодействия между смежных курсов и возможного парного взаимодействия.

4. Координатор научных групп просматривает эффективность парного взаимодействия между смежных курсов и возможного парного взаимодействия при помощи колеса прокрутки. Вводит количество итераций и коэффициент учёта «приязни» и нажимает кнопку «Распределить студентов».

5. Система выводит на экран web-страницу содержащую: таблицу «Итерации расчёта», график отображения вычислительного процесса и таблицу сформированных разновозрастных микро коллективов.

Альтернативы

А1: Очистка страницы.

А1.1. Координатор научных групп нажимает на кнопку «Очистить».

А1.2. Система выводит на экран web-страницу «Формирование разновозрастных исследовательских микро коллективов», содержащую раскрывающийся список «Выбор семестра» и кнопку «Получить исходные данные».

Текущий вариант использования завершается.

Постусловия. При успешном завершении Координатор научных групп получает главную страницу приложения с меню, настроенным на права Координатора научных групп.

1.6.4 Диаграмма сущностных классов

Сущностные классы (entity): объекты этих классов представляют собой блоки длительно хранимой информации, используемые для организации баз данных и знаний, файловых систем хранения данных различной логической структуры. В основном в этих классах развит атрибутивный раздел, однако имеется небольшое число операций контроля ограничений целостности, как стандартных, так и специфичных для данной предметной области.

Диаграмма сущностных классов для реализуемой системы представлена на рисунке 1.10.



Рисунок 1.10 ? Диаграмма сущностных классов

1.6.5 Диаграмма граничных классов

Граничные классы (boundary): служат посредниками при взаимодействии внешних объектов с системой. Как правило, для каждой пары «действующее лицо - вариант использования» определяется один граничный класс. Типы граничных классов: пользовательский интерфейс (обмен информацией с пользователем, без деталей интерфейса - кнопок, списков, окон), системный интерфейс и аппаратный интерфейс (используемые протоколы, без деталей их реализации);

Объекты этих классов предназначены для организации взаимодействия системы с актантом (внешним пользователем), они реализуют интерфейсы системы с внешней средой и различными пользователями.

Диаграмма граничных классов разрабатываемой системы представлена на рисунке 1.11.

Рисунок 1.11 - Диаграмма граничных классов

1.6.6 Диаграмма состояний

Диаграмма состояний (state chart diagram) - диаграмма, на которой изображается конечный автомат с простыми состояниями, переходами и, возможно, вложенными композитными состояниями. Диаграмма состояний описывает процесс изменения состояний одного или нескольких экземпляров классов, т.е. моделирует все возможные изменения в состоянии конкретного объекта, которые вызваны внешними воздействиями со стороны других объектов или извне. Диаграмма состояний представляет динамическое поведение сущностей на основе спецификации их реакции на восприятие некоторых конкретных событий. Главное назначение этой диаграммы - описать возможные последовательности состояний и переходов, которые в совокупности характеризуют поведение элемента модели в течение его жизненного цикла. В основе диаграммы состояний лежит автоматическая модель. Основные свойства модели:

1) Переходы из состояния в состояние считаются мгновенными.

2) Одновременный переход в несколько состояний невозможен.

3) Каждое состояние должно быть достижимым.

4) К переходу может быть прикреплено действие или действие и сторожевое условие.

5) Количество состояний не бесконечно, а конечно в автомате.

Переход из состояния в состояние возможен при следующих условиях:

1) Завершены все действия и деятельности в исходном состоянии, если не поступал сигнал прерывания.

2) Выполнено сторожевое условие, если оно есть.

3) Выполнено действие, прикрепленное к переходу, если оно есть.

4) Произошло переключающее событие типа посылки сигнала или изменения какого-либо условия.

Диаграмма состояний для разрабатываемой системы представлена на рисунке 1.12. Она отражает общую работу с приложением.

Рисунок 1.12 - Диаграмма состояний

1.6.7 Диаграмма классов управления

Классы управления (control): объекты этих классов являются активными, берущими на себя управления и организацию вычислительных процессов; чаще всего это стандартные компоненты операционных систем и систем управления базами данных (СУБД), таймеры, координаторы и т.п. Обеспечивают координацию поведения объектов в системе. Могут отсутствовать в некоторых вариантах использования, ограничивающихся простыми манипуляциями с хранимыми данными. Как правило, для каждого варианта использования определяется один управляющий класс. Примеры управляющих классов: менеджер транзакций, координатор ресурсов, обработчик ошибок.

Диаграмма классов управления представлена на рисунке 1.13.

Рисунок 1.13 ? Диаграмма классов управления



2. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТА

2.1 Архитектура и платформа реализации

Система формирования разновозрастных исследовательских микро коллективов представляет собой web-приложение, состоящее из клиентской и серверных частей, т.е. она имеет двухзвенную «клиент-серверную» архитектуру [16].

Клиентская часть реализует пользовательский интерфейс, формирует запросы к серверу и обрабатывает ответы от него.

Серверная часть получает запрос от клиента, выполняет вычисления, после этого формирует веб-страницу и отправляет е? клиенту по сети с использованием протокола HTTP.

Архитектура системы имеет простейшую конфигурацию, в которой физически сервер приложений совмещ?н с сервером базы данных на одном компьютере, к которому по сети подключается один или несколько клиентов.

Архитектура разрабатываемой системы отражена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Архитектура системы

Система развернута на сервере факульта ИСТ СГАСУ, пользователи имеют доступ к клиентской части по средством web-браузера через ЛВС факультета или через сеть Internet. Преимуществом данного подхода является то, что веб-приложения являются межплатформенными сервисами, т.к. клиенты не зависят от конкретной операционной системы пользователя.

2.2 Физическая структура БД

В качестве СУБД для разработки базы данных системы формирования разновозрастных исследовательских микроколлективов использовался MS SQL Server 2008 R2. База данных разрабатываемой системы дополняет существующую БД ФИСТ. Физическая структура используемой части существующей БД была дополнена необходимыми таблицами и полями. Физическая структура БД представлена на рисунке 2.2.



Рисунок 2.2 - Физическая структура базы данных

2.3 Расчёт комплекса технических средств

Для оценки параметров комплекса технических средств производится расчет требуемых ресурсов внешней и оперативной памяти и расчет времени реакции системы. Ресурсные требования, предъявляемые к клиенту и серверу различны.

2.3.1 Расчёт необходимого объёма внешней памяти

Расчет объема требуемой внешней памяти происходит по следующей формуле (2.1)

(2.1)

где VОС - объем внешней памяти, занимаемый операционной системой, Мб;

VСУБД - объем внешней памяти, занимаемый СУБД, Мб;

VДанных - Объём внешней памяти, занимаемый данными программными модулями, Мб;

VПрограммы - объем внешней памяти, занимаемый программными модулями, Мб;

Vдоп.ПО - объем внешней памяти, необходимый для дополнительно необходимого ПО.

Расчет необходимого объема внешней памяти сервера.

В качестве ОС сервера рекомендуется использовать ОС Windows Server 2008 R2. А в качестве СУБД Microsoft SQL Server 2008 r2.

В качестве дополнительного ПО выступает платформа Microsoft .NET Framework 4.0 и web-сервер Internet Information Server 6 (IIS). После установки .NET Framework занимает 450 Мб, IIS - 150 Мб.

Vос = 8Гб

Vсубд = 2,2 Гб

Vпрограммы =20Гб

Vдоп. ПО =450+150=600Мб

V Данных расчитаем по таблице 2.1, учитывая, что один символ кодируется одним байтом, а на индекс берется 15% основного объема. Предполагается, что система будет функционировать три года (за это время она морально устареет и будет заменена). Исходя из этого и интенсивности запросов к системе, рассчитано максимальное количество записей в таблицах. Например, в таблице Users на момент создания системы содержалось 690 пользователей. Предполагается, что ежегодно будет добавляться приблизительно 35 новых пользователей, таким образом, через три года максимальное количество записей в таблице Users будет равняться 800. Аналогично были произведены расчеты и для остальных таблиц.

Таблица 2.1 - Расчет объема хранимых данных

Название таблицы	Размер записи, байт	Максимальное количество записей	Размер индекса, байт	Итого, байт
AcademicAdvisers	310	500	23250	178250
Criterion	255	5	191	1466
Group	54	20	162	1242
Interrelation	112	5500	92400	708400
Locality	255	200	7650	58650
Semesters	120	18	324	2484
Users	427	800	51240	392840
WTest	86	400	5160	39560
Ratings	483	7100	514395	3943695
PersonalCHaracteristics	90	300	4050	31050
Итого	10397858

Vос=9,92 Мб

Vвп=8192+2253+9,92+20+600=11074,92Мб=10,82Гб

Расчет необходимого объема внешней памяти клиента.

Считаем, что клиент работает под управлением ОС Windows 7 Home Basic. Для работы ему больше ничего не требуется, кроме браузера Internet Explorer, который входит в поставку операционной системы, поэтому

Vвп= Vос=16 Гб

2.3.2 Расчёт необходимого объёма оперативной памяти

Для расчета ОЗУ воспользуемся формулой (2.2)

Vоп= Vос+ Vсубд+ Vданных+ Vпрограммы+ Vдоп.по, (2.2)



где VОС - объем ОЗУ, необходимый для работы операционной системой, Мб;

VСУБД - объем ОЗУ, необходимый для работы СУБД , Мб;

VДанных - объем ОЗУ, необходимый данным системы, Мб;

VПрограммы - объем ОЗУ, необходимый для работы программы, Мб;

Расчет необходимого объема оперативной памяти сервера. Ниже приведены значения VОС и VСУБД необходимые для работы ОС WindowsServer 2008 R2 и СУБД Microsoft SQL Server 2008.

VОС =1 Гб.

VСУБД =512 Мб.

VПрограммы = 47 Мб.

Vдоп.ПО = 30Мб.

Расчет VДанных произведем на наихудший случай, запрос на максимальное количество таблиц БД. Наиболее сложным запросом является запрос на формирование отчета «Формирование микро коллективов», т.к. требует для своего формирования использования наибольшего числа таблиц БД, а именно 5 из 15 возможных. VДанных расчитывается по таблице 2.4. Максимальное количество используемых записей принято в размере 10% от всего количества записей.

Таблица 2.2 - Расчет объема буфера оперативной памяти, необходимой для реализации транзакции: формирование микро коллективов

Название таблицы	Размер записи, байт	Максимальное количество записей	Размер индекса, байт	Итого, байт
AcademicAdvisers	310	50	2325	17825
Group	54	2	162	1242
Interrelation	112	550	9240	70840
Journal	657	600	59130	453330
MotivationTest	82	79	972	7450
PersonalCHaracteristics	90	30	405	3105
Ratings	483	710	51440	394370
Semesters	120	18	324	2484
Users	427	80	5124	39284
WTest	86	40	516	3956
Итого	1021573

VДанных =0, 97Мб

Суммарный объем ОЗУ, необходимый для функционирования системы:

Vоп = 1024+512+0,97+47+30=1613,97Мб = 1,58Гб.

Расчет необходимого объема оперативной памяти клиента.

Так как для функционирования системы клиенту необходима только ОС и веб-браузер, то VСУБД, Vпрограммы, VДоп ПО равны нулю.

Vос =1Гб

Vданных=20Мб

В данном случае объём данных программы - это память, расходуемая браузером для отображения данных полученных с сервера.

Таким образом, общий объём оперативной памяти, необходимый для работы пользователей:

Vоп=1024+0+0+0+20=1044Мб=1,02Гб

2.3.3 Требования к программному обеспечению

Приведем минимальные требования к техническому и программному обеспечению. Требования к процессору определяются требованиями ОС.

Минимальные требования к серверу:

- процессор класса Pentium с тактовой частотой 1,6 ГГц и выше;

- объем оперативной памяти не менее 2 Гб;

- объем свободного дискового пространства не менее 11 Гб;

- тип операционной системы -Windows Server 2008;

- платформа Microsoft .NET Framework 4.0 и web-сервер Internet Information Server 6 (IIS).

Минимальные требования к клиенту:

- процессор класса Pentium с тактовой частотой 1 Гц и выше;

- объем свободного дискового пространства не менее 16 Гб;

- объем оперативной памяти не менее 2 Гб;

- любая ОС;

- наличие web-браузера;

- манипулятор типа «мышь»;

- монитор с разрешением 1280х1024.

2.4 Основные интерфейсы

Основными интерфейсами разрабатываемой ИС являются:

1. Страница авторизации.

Один из основных интерфейсов ИС с помощью которого проходит разграничение прав доступа к разным функциям системы (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Страница авторизации

2. Главная страница.

Главная страницы системы появляется в том случае если была пройдена авторизация, что подтверждает успешный вход в систему на основании прав пользователей (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Главная страница системы

3. Пункт меню «Матричная структура».

Пункт меню «Матричная структура» содержит несколько модулей расчёта, которые доступны в соответствии с правами пользователей. Тестовому пользователю techer, были установлены права доступа координатора научных групп. Координатор научных групп может перейти по ссылке «Формирование разновозрастных исследовательских микро коллективов» для дальнейших операций (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Модули меню «Матричная структура»

4. Стартовая страница «Формирования разновозрастных исследовательских микро коллективов».

Стартовая страница содержит пояснения, что нужно сделать для успешного формирования разновозрастных исследовательских микро коллективов. Так же на странице имеются ссылки с переходами на внешние страницы с информацией о использованном методе и математической модели. Так же на странице присутствует окно выбора семестра и кнопка для получения исходных данный по выбранному учебному семестру. Интерфейс стартовой страницы представлен на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Стартовая страница модуля «Формирование научно исследовательских микро коллективов»

5. Исходные данные.

После нажатия на кнопку «Получить исходные данные» на дисплее появляются 2 таблицы отображающие прогнозируемую эффективность рисунок 2.7 и таблицу парных пожеланий студентов рисунок 2.8.



Рисунок 2.7 - Таблица прогнозируемой эффективности

Рисунок 2.8 - Таблица пожеланий парного взаимодействия

Так же под таблицами исходных данных находятся поля ввода количества итераций для вычисления, коэффициент приязни и кнопка для вычисления (рисунок 2.9).



Рисунок 2.9 - Поля ввода

6. Таблица промежуточных результатов.

В этой части интерфейса выводится суммарная эффективность сгенерированного варианта распределения по методу Монте-Карло. Зелёным цветом отмечен наилучший вариант вычисления (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 - Таблица промежуточных результатов

7. График промежуточных вычислений.

На рисунке 2.11 представлен график промежуточных вычислений таблицы которая представлена на рисунке 2.10.



Рисунок 2.11 - График промежуточных вычислений

8. Таблица сформированных исследовательских микро коллективов.

После вычислений по математической модели С.А. Пиявского, которая учитывает как эффективность, так и парные пожелания студентов на экране появляется таблица сформированных микро коллективов (рисунок 2.12), что является основной целью разработанного модуля.



Рисунок 2.12 - Таблица сформированных исследовательских микро коллективов

2.5 Диаграмма компонентов

Диаграмма компонентов (component diagram) - диаграмма, на которой изображены типы компонентов и зависимости между ними.

Компонент реализованной системы - это относительно независимая функциональная часть системы, которая выполняет самостоятельную функцию, и обычно реализуются в виде отдельного файла или определения.

Основными графическими элементами диаграммы компонентов являются компоненты, интерфейсы и зависимости между ними.

Компонентами являются программные модули, в том числе библиотечные модули и стандартные программные системы (операционные системы, СУБД), а также файлы документации и таблицы базы данных.

Отношение зависимости на диаграмме компонентов изображается пунктирной линией со стрелкой, направленной от клиента или зависимого элемента к источнику или независимому элементу модели.

Зависимости могут отражать связи отдельных файлов программной системы на этапе компиляции и генерации объектного кода. В других случаях зависимость может указывать на наличие в независимом компоненте описаний классов, которые используются в зависимом компоненте для создания соответствующих объектов. Применительно к диаграмме компонентов зависимости могут связывать компоненты и импортируемые этим компонентом интерфейсы, а также различные виды компонентов между собой.

Диаграмма компонентов разработанной системы приведена на рисунке 2.13, она отражает основные компоненты системы и связи между ними.

Рисунок 2.13 - Диаграмма компонентов.

В таблице 2.3 дано краткое описание основных компонентов системы.



Таблица 2.3 - Основные классы системы

Класс	Описание
AccountController.cs	Контроллер авторизации пользователей
DistributionController.cs	Контроллер формирования информационных отчетов
LogOn.cshtml	Страница авторизации пользователей
Index.cshtml	Главная страница приложения
Web.config	Определяет параметры приложения
FistDB.cs	Класс для работы с БД
Json.dll	Библиотека для работы с Java-script
jquery-1.5.1.js	Библиотека для работы с Java-script
lpsolve.cs	Контроллер работы с библиотекой lpsolve55.dll
lp.cs	Контроллер работы с библиотекой lpsolve55.dll
lpsolve55.dll	Библиотека линейного программирования
model1.lp	Файл входных данных мат. модели
Highcharts.js	Библиотека для постоения графиков

2.6 Диаграмма развёртывания

Диаграмма разв?ртывания - это завершающая диаграмма технологии UML. Она показывает общее развертывание компонентов системы на технических узлах системы. Узлы представляются как прямоугольные параллелепипеды с артефактами, расположенными в них, изображенными в виде прямоугольников. Узлы могут иметь подузлы, которые представляются как вложенные прямоугольные параллелепипеды. Один узел диаграммы развертывания может концептуально представлять множество физических узлов, таких как кластер серверов баз данных.

Существует два типа узлов:

1. Узел устройства

2. Узел среды выполнения

Узлы устройств -- это физические вычислительные ресурсы со своей памятью и сервисами для выполнения программного обеспечения, такие как обычные ПК, мобильные телефоны. Узел среды выполнения -- это программный вычислительный ресурс, который работает внутри внешнего узла и который предоставляет собой сервис, выполняющий другие исполняемые программные элементы.

Диаграмма развертывания разработанной системы представлена на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14 - Диаграмма развертывания системы

2.7 Описание схем алгоритмов

2.7.1 Схема алгоритма формирования страницы отчёта

Основным алгоритмом работы системы является формирование веб- страницы сайта. Блок-схема данного алгоритма представлена на рисунке 2.15.

Рисунок 2.15 - Формирование страницы отчёта

2.7.2 Схема алгоритма формирования исследовательских микро коллективов

Одним из ключевых алгоритмов является расчет исследовательских микро коллективов, математическая модель которого описана в п. 1.5.2.

Опишем условные обозначения, используемые в описании алгоритма.

1. matrix - Объявление первого результата с максимальным значением целевой функции.

2. iteration - Переменная.

3. countIterations - Количество итераций расчета.

4. tempMatrix - Установление четвёртого курса.

5. tempMatrix.Chains.Add - Создание объекта цепочки с руководителем.

6. i - переменная.

7. S4 - Количество студентов четвёртого курса.

8. allChainsCount - Количество цепочек.

9. course - Курс.

10. courseTable - Матрица эффективности текущего курса.

11. courseCount - Количество студентов младшего курса.

12. randomCountsForAddChainItem - массив целых чисел с количеством цепочек (количество элементов равно количеству цепочек), при этом сумма всех элементов должна быть равна количеству подшефных.

13. chain - Цепочка.

14. shef - ФИО руководителя цепочки.

15. column - Столбец связей шефа со всеми подшефными.

16. rnd - Переменная.

17. rndItem - Случайное значение.

18. podShefItem - Копирование в другой объект.

19. podShefItem.Col = podShefItem.Row - перезапись номера колонки в ряд, для последующего расчета.

20. chain.PodShef.Add() - Добавление в коллекцию.

21. courseTable - Удаление всего ряда из таблицы.

22. chain.E - Эффективность группы.

23. tempMatrix.E - Эффективность всей матричной структуры.

24. listTempMatrix.Add()- Добавление расчёта.

25. return matrix - Возврат результата цепочек руководства.

Рисунок 2.16 ? Схема алгоритма формирования исследовательских микро коллективов

2.8 Программа и методика испытаний

Программа и методика испытаний содержит требования, подлежащие проверке при испытании программы, а также порядок и методы их контроля, и оформлена в соответствии с ГОСТ 19.301-79 [25].

Объект испытаний.

Объектом испытаний является подсистема формирования разновозрастных исследовательских микро коллективов, предназначенная для формирования матричной структуры ФИСТ СГАСУ.

Целью испытаний является проверка соответствия характеристик разработанной системы функциональным и иным требованиям, изложенным в техническом задании.

Функциональные требования к системе, изложенные в техническом задании и подлежащие проверке:

1) Акторы, взаимодействующие с системой: координатор научных групп.

2) Авторизация и разграничение прав пользователей в системе

3) Ввод и редактирование оперативной информации для:

- количества итераций;

- коэффициента учёта взаимной приязни.

4) Формирование отчетов:

- таблица сформированных разновозрастных микро коллективов;

- ход формирования вариантов распределения.

5) Решение основных задач обработки информации в системе при формировании разновозрастных микро коллективов.

Основные положения.

Программная документация состоит из:

- технического задания;

- программы и методики испытаний;

- пояснительной записки;

- руководства пользователя.

Объем испытаний.

Испытания проводятся в два этапа:

1) проверка комплектности программной документации;

2) испытание программного комплекса по методике испытаний на соответствие функциональным требованиям.

Средства и порядок испытаний.

В состав технических средств для проведения испытаний должен входить персональный компьютер со следующими характеристиками:

- процессор класса Pentium с тактовой частотой 300 МГц и выше;

- объем оперативной памяти не менее 128 Мб;

- наличие web-браузера.

Испытания проводиться в следующей последовательности:

1) Проверка функции авторизации пользователя.

2) Проверка функциональных возможностей администатора.

3) Проверка функциональных возможностей координатора научных групп.

4) Проверка функциональных возможностей студента.

Условия проведения испытаний.

- температура окружающего воздуха, С° - от 20 до 25;

- относительная влажность, % - от 30 до 80;

- атмосферное давление, кПа - от 84 до 106;

- частота питающей электросети, Гц - 50;

- напряжение питающей сети переменного тока, В - 220.

Методика испытаний.

Для проведения испытаний этого нужно запустить web-браузер.

1. Проверка возможности запуска программы.

Действия:

1) Открыть браузер. В строке адреса прописать «http://sciyouth.ru/insci/» и нажать Enter.

Результат:

На экране отображается страница авторизации.

2. Проверка возможности получения и отображения исходных данных для формирования исследовательских микро коллективов.

Действия:

1) Открыть браузер. В строке адреса прописать «http://sciyouth.ru/insci/Distribution/ForecastMatrix» и нажать Enter.

2) Из выпадающего меню выбрать семестр.

3) Нажать на кнопку «Получить исходные данные»

Результат:

На странице осуществляется отображение таблиц(матриц) с исходными данными эффективности парного взаимодействия и пожеланий парного взаимодействия отображаемых жёлтым цветом. На странице имеется поле для ввода количества итераций, поле ввода коэффициента учёта взаимной приязни и кнопка «Распределить студентов».

3. Проверка возможности формирования исследовательских микро коллективов и вывод промежуточного вычисления.

Действия:

1) Открыть браузер. В строке адреса прописать «http://sciyouth.ru/insci/Distribution/ForecastMatrix» и нажать Enter.

2) Из выпадающего меню выбрать семестр.

3) Нажать на кнопку «Получить исходные данные»

4) В поле «Количество итераций» вводим число генерируемых вариантов матричной структуры.

5) В поле «Коэффициент учёта взаимной приязни» вводим дробное число от 0 до 1, через запятую.

6) Нажать кнопку «Распределить студентов»

Результат:

По завершению расчета на странице отображается: таблица с процессом вычисления матричной структуры генерируемых вариантов, график отображения вычисления, таблица сформированных научных микро коллективов и кнопка «Очистить» при нажатии на которую пользователь вернётся на исходную страницу формирования разновозрастных исследовательских микро коллективов.

2.9 Контрольный пример

• Для демонстрации работы системы формировани...