автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Средства моделирования для повышения эффективности учебной компьютерной сети

/

ПЕТЕРБУРГСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

Голубых Надежда Михайловна

у?

СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УЧЕБНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ

05.13.18 - "Теоретические основы математического моделирования, численные методы и комплексы программ'

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

I

доктор физико-математических наук профессор Демьянович К).К.

Санкт-Петербург 1998

Оглавление

Введение 4 Глава I. О распараллеливании при моделировании учебной

компьютерной сети (УКС) 12

§ 1. Алгоритм "ЗАДАНИЕ" и учебная компьютерная система 14

§ 2. Функциональные устройства "компьютерный класс" 17

§ 3. О загруженности системы 18

§ 4. Разбиения алгоритма "Задание" 21

§ 5. Алгоритм "Задание" для одного цикла 23

§ 6. "Идеальное" ФУ 26

§ 7. Алгоритмы и учебные компьютерные системы 27

§ 8. Задачи реализации 29

§ 9. Идеализированная модель учебной компьютерной сети 33

§ 10. Задача реализуемости учебного плана 34

§ 11. Компьютерная сеть как реализатор системы 37

§ 12. Схема функционирования учебной компьютерной сети 40

§ 13. Оценка эффективности функционирования УКС 43 § 14. Основные моменты функционирования компьютерного

класса 46

§ 15. Структура рабочей станции (РС) 49 § 16. Факторы, влияющие на возможность применения

компьютерных программ в учебном процессе 51 § 17. Задача обеспечения учебных занятий компьютерными

классами 54

§ 18. Модель работы службы сопровождения ПО УКС 55

§ 19. Структура программного обеспечения рабочей станции 58

Глава II. Модель процесса работы учебного компьютерного

класса 61

§ 1. Основные понятия 61

§ 2. Алгоритм работы устройства управления работой класса 64

§ 3. Оценка эффективности работы класса 67

§ 4. Работоспособность класса 70 § 5. Выявление факторов, влияющих на эффективность работы

класса 73 § 6. Потери рабочего времени, вызываемые необходимостью

восстановления ПО РС 77

Глава Ш.Модель процесса выполнения задания на РС учебной

компьютерной сети 82

§ 1. Основные понятия 82

§ 2. Алгоритм выполнения задания 84 § 3. Некоторые особенности работы алгоритма выполнения

задания. 88 § 4. Автоматизация некоторых функций процесса выполнения

задания 89

§ 5. Проверка целостности ПО РС 92

§ 6. Структура файл-сервера учебной компьютерной сети 95

§ 7. Возможности ад министр атора сети 98

Заключение 103

Литература 107

Приложение 113

Введение

Непрерывное совершенствование компьютеров, периферийного оборудования и программного обеспечения, быстрое изменение предоставляемых ими возможностей диктует необходимость постоянного преобразования и модификации компьютерных средств обучения, а также создания новых форм обучения с применением компьютеров. Новые горизонты открывает применение компьютерных сетей, позволяющих не только существенно расширить возможности обучения предметной области, но и фундаментально изменить сам процесс обучения.

За последнее время парк персональных компьютеров в вузах значительно пополнился. Это позволило существенным образом модифицировать стандартные способы обучения студентов в предметной области и расширить возможности дифференцированного обучения, групповой и индивидуальной работы. Имеющиеся компьютеры распределяются по классам общего и специального назначения. Часто компьютеры одного или нескольких классов объединяются в компьютерную сеть. Объединение компьютеров позволяет эффективнее использовать имеющиеся ресурсы.

Вопросы влияния компьютерных технологий на процесс обучения рассматривались в работах Ю.А.Богоявленского, Б.Г.Вагера, В.Н.Васильева, С.Г.Григорьева, В.Г.Дегтярева, Ю.К.Демьяновича, Б.Ф.Кирьянова, Э.И.Кузнецова, С.В.Микони, Н.Н.Нечаева, В.И.Пименова, Г.А.Прудинского, М.Ф.Романова, Н.С.Рузанова, Г.С.Сиговцева, К.В.Яблонского и др.

Следует согласиться с общим выводом о том, что практическая отдача от применения компьютерных средств намного ниже, чем могла бы быть. Одной из причин описанной ситуации является то, что компьютерные средства обучения используются не в полной мере. Конечно в еще большей степени эти соображения можно отнести к компьютерным сетям.

Широкое применение компьютерных сетей в учебном процессе сдерживается недостаточной теоретической разработанностью его основ, а также зачастую отсутствием компьютерной базы или программного обеспечения.

Несмотря на имеющиеся трудности пополняется программное обеспечение ПЭВМ, на кафедрах разрабатываются и приобретаются компьютерные программы для обучения, ориентированные на повышение качества усвоения материала. Следует отметить, что большая часть этих программ предназначена исключительно для персонального компьютера. Например, в Петербургском государственном университете путей сообщения (ПГУПС) общенаучные кафедры ("Инженерная химия", "Высшая математика", "Начертательная геометрия и графика", "Прикладная математика"), общетехнические ("Прочность материалов и конструкций", "Основания и фундаменты") и специальные кафедры ("Водоснабжение и водо-отведение", "Тоннели и метрополитены", "Локомотивы" и др.) заметно увеличили объем компьютерных часов в планах своих дисциплин. При этом используются пакеты как общего, так и специального назначения, в том числе и не предназначенные для установки в сеть. Выпускающие кафедры считают необходимым внедрение в учебный процесс систем функционального назначения.

Все больше ощущается потребность в общих концепциях внедрения имеющегося программного обеспечения в учебную компьютерную сеть, потребность в идеологии организации проведения занятий в компьютерном классе с учетом разнообразных форм и методов использования компьютера и в создании программных средств их реализации.

Исследование работы учебных систем компьютерных классов показало, что следует различать основные режимы работы, связанные с состоянием учебного процесса: учебный семестр, зачетная неделя, экзаменационная сессия, учебная практика и каникулы.

Кроме этого компьютерные классы могут загружаться дополнительной работой, связанной с проведением Дня открытых дверей, с осуществлением приема студентов, с работой ускоренных курсов и курсов повышения квалификации и т.д.

Наиболее сложной является организация работы системы компьютерных классов в течении учебного семестра. Так как именно в этот период используется наибольшее количество разнообразных компьютерных программ. Дополнительные трудности в эту работу привносит необходимость компьютерной поддержки учебных занятий ускоренных курсов и курсов повышения квалификации. Последние требуют не только выделения дополнительных временных ресурсов работы класса, но и зачастую нуждаются в дополнительном специализированном программном обеспечении, ориентированном на решения задач упомянутых курсов.

Работа учебного компьютерного класса в течение семестра подчинена расписанию работы высшего учебного заведения, выражаемому в двухнедельном расписании занятий учебных групп (учебных занятий). Учебное занятие является минимальной единицей работы учебной группы. Поэтому минимальной единицей работы компьютерного класса можно считать одно учебное занятие (для ПГУПС его длительность равна одной учебной паре, т.е. 90 мин.).

Расписание работы класса формируется из расписания работы учебных групп, выработанного диспетчером высшего учебного заведения и отдельных заявок преподавателей на проведение разовых занятий. Оставшееся время работы класса может быть выделено для свободного доступа преподавателей и студентов.

В учебном процессе используется большое количество разнообразных программ. Среди них программы общего назначения (например, текстовые и графические редакторы), специализированные программы (MatLab, MathCad), системы инженерного проектирования (AUTOCAD, KOMPAS) и программы, предназначенные для

обучения специалистов (тренажеры, тестирующие и контролирующие программы).

Учебная компьютерная система должна иметь все множество компьютерных программ, необходимых для выполнения учебных компьютерных заданий, т.е. для каждого учебного задания име-

м и и и

ется по крайней мере один компьютерный класс, оснащенный необходимой для выполнения этого задания программой.

Каждый компьютерный класс оснащен определенным количеством компьютеров. При этом каждый компьютер может находиться в одном из состояний:

- в ремонте (техническая неисправность),

- в состоянии "разрушено программное обеспечение",

- в состоянии "готово к работе" (ожидание пользователя),

- в состоянии "занято" (работает пользователь).

Временем работы компьютера будем считать периоды, когда

он находится в состоянии готовности или в состоянии занятости. Время работы пользователя на компьютере будем называть временем его использования. Очевидно, что время использования компьютера за данный период не превышает время его работы за тот же период, а время работы компьютера за период не превышает времени работы учебного заведения за тот же период.

Учебная компьютерная система обычно работает в условиях дефицита компьютерного времени, поскольку чаще всего потребность в компьютерном времени, необходимом для выполнения всех учебных заданий каждым студентом, превышает имеющиеся возможности его предоставления. В связи с этим весьма актуальной является задача повышения эффективности использования учебной компьютерной сети.

Наблюдения за использованием учебных компьютерных классов выявили, что интенсивность использования компьютеров довольно низкая в начале семестра, повышается перед проведением аттестации и достигает максимума в конце семестра. Таким обра-

зом компьютерные классы имеют неравномерную загрузку в течение семестра.

Для увеличения равномерности использования компьютерных классов следует обеспечить, во-первых, планирование равномерного выполнения компьютерных работ студентами различных специальностей с учетом всех изучаемых дисциплин, во-вторых, контроль за своевременностью выполнения заданий в течение всего семестра. Для длительных работ, например, для курсового и дипломного проектирования рекомендуется предусмотреть несколько промежуточных контролируемых этапов.

На эффективность использования компьютерного оборудования наиболее существенное влияние оказывает время простоя рабочей станции. Среди причин, вызывающих простои компьютеров, существенны следующие:

1) техническая неисправность,

2) разрушение программного обеспечения рабочей станции,

3) отсутствие возможности работы с требуемой компьютерной программой,

4) отсутствие возможности сохранения и восстановления промежуточных данных между сеансами работы,

5) отсутствие возможности вывода на принтер.

Разрушение программного обеспечения (ПО) рабочей станции

или программы на файл-сервере вызывается тремя основными причинами:

- заражение "вирусом",

- удаление или изменение файлов программы в результате действий студента,

- разрушения ПО, вызываемые действиями студента во время выполнения учебного задания.

В силу специфики процесса обучения все эти причины являются постоянно действующими и не могут быть ликвидированы.

Исходя из выше изложенного мы связываем задачу повышения эффективности работы учебной компьютерной сети с задачей минимизации времени простоя каждой рабочей станции сети.

Для решения данной задачи была построена математическая модель процесса выполнения учебных заданий в системе компьютерных классов и ее реализации посредством компьютерной сети, разработаны механизмы, позволяющие выявить факторы, наиболее сильно влияющие на работу компьютерной сети и возможность использования имеющихся в сети компьютерных программ в учебном процессе, предложены программные решения, способные изменить степень влияние выявленных факторов и тем самым повысить эффективность работы учебной компьютерной сети.

В процессе решения поставленной задачи удалось:

Создать математические модели взаимодействия учебного процесса и учебной компьютерной сети, позволяющие существенно увеличить эффективность и качество обучения, а также увеличить коэффициент использования сети и программного обеспечения.

Решить задачу совместного использования различных типов прикладного программного обеспечения (ПО) и разработать методику установки и использования ПО, предназначенного исключительно для персонального компьютера, в учебной компьютерной сети.

Разработать методику организации и минимизации программного обеспечения сетевой рабочей станции (базового ПО), позволяющего обеспечить работу большего числа необходимых для выполнения учебных заданий компьютерных программ.

Построить модель процесса выполнения учебных компьютерных работ в компьютерной сети университета и модель процесса работы пользователей в компьютерном классе, которая позволяет выявлять факторы, влияющие на надежность работы класса.

Разработать структуры файл-сервера учебной компьютерной

сети и базового ПО рабочей станции (РС), обеспечивающие возможность автоматизации проверки целостности и восстановления работоспособности базового ПО РС, корректное функционирование учебных программ и возможность организации индивидуальной работы преподавателей и студентов вуза. Вариант реализации автоматической проверки целостности и восстановления базового ПО компьютера описывается в данной работе.

Глава I данной работы посвящена рассмотрению возможности применения теории распараллеливания при моделировании процесса выполнения учебных заданий в компьютерной сети. В ней множество учебных работ, выполняемых с применением компьютерных программ, рассматривается как параллельный алгоритм и компьютерная сеть - как параллельная система, предназначенная для реализации данного алгоритма. Вводятся понятия функционального конвейерного устройства (компьютерный класс), стоимости операции, загруженности и производительности компьютерного класса, учебной сети. Доказываются несколько утверждений о нахождении их численных значений. Вводятся понятие идеализированной учебной компьютерной сети и понятие ускорения реализации алгоритма. Задача об эффективности работы реальной сети формулируется в форме задачи линейного программирования. Рассматриваются случаи существования решения последней задачи и выявляются факторы, влияющие на возможность существования решения. Рассматриваются несколько частных случаев данной задачи и делается их сравнительный анализ. Предлагаются способы модификации существующей компьютерной сети с целью повышения ее эффективности. Предлагается способ оценки возможности удовлетворения потребностей учебного процесса средствами существующей компьютерной сети. Рассматриваются варианты формирования из множества компьютерных работ параллельного алгоритма, реализуемого на имеющейся компьютерной системе.

Глава II описывает математическую модель процесса работы учебного компьютерного класса. В ней работа класса также рассматривается с точки зрения теории параллельных процессов. Совокупность рабочих станций класса изучается как параллельная система, предназначенная для реализации алгоритма выполнения работы студентами учебной группы. Обсуждаются различные формы проведения компьютерных занятий. Предлагается алгоритм работы системы, способствующий выявлению факторов, влияющих на работоспособность класса. Рассматриваются факторы, влияющие на надежность работы рабочей станции и учебного программного обеспечения. Анализируются отказы компьютеров, вызываемые нарушениями в работе программного обеспечения рабочих станций или файл-сервера.

Глава III рассматривает математическую модель процесса выполнения задания на рабочей станции учебной компьютерной сети. В ней исследуются особенности алгоритма выполнения задания. Анализируется потребность автоматизации некоторых функций этого процесса. Предлагается подход к автоматизации проверки целостности базового ПО рабочей станции и возможности восстановления его работоспособности. Предлагаемая структура файл-сервера учебной компьютерной сети позволяет существенно повысить надежность работы разнообразных учебных программ. Анализируются возможности администратора сети в аспекте повышег ния эффективности использования компьютеров во время учебного занятия и организации продуктивной работы индивидуального пользователя (преподавателя, сотрудника, студента).

Глава I

О распараллеливании при моделировании учебной компьютерной сети

Теория распараллеливания обычно рассматривается в связи с реализацией параллельных вычислений на параллельных вычислительных системах. В предлагаемой работе дано некоторое обобщение этой теории, которое позволяет построить модель выполн�