Содержание и технологии обучения в области информатики и информационных технологий в

МГТУ им. Н.Э.Баумана

Доклад на заседании Ученого совета МГТУ им. Н.Э.Баумана

Москва, 2004

Норенков И.П.

Особенности преподавания ИТ в университете

• Динамичность предметной области (частое обновление содержания курсов и лабораторного оснащения).

Сегодня: Микропроцессор Power5 - 0,13 мкм технология, 276 мил. транзисторов в кристалле. Суперкомпьютер Earth-Simulator 36 Tflops, 5120 процессоров. Производительность ЭВМ растет по закону Мура. Web-технологии, порталы - достижения последнего десятилетия.

• ИТ востребованы всеми специальностями.

Микропроцессор Power5

Мировой лидер среди суперкомпьютеров (начало 2003 г.) (8192 процессора, 7,3 Tfops).

Планы IBM: Суперкомпьютер Blue Gene/L сейчас одна стойка, будет 128 стоек, 130 тысяч процессоров, 360 трил. операций/с, 267 млн. $.

Основные современные информационные технологии

Информационная поддержка изделий (ИПИ) иинформационная поддержка управления (ИПУ)

Автоматизированные системы (САПР, АСУ...)

Программные комплексы и технологии(редакторы, СУБД, мат. пакеты…)

Основы Computer Science

CALS

CAD/CAM, ERP

CS_1

CS_2

Computer Science CS_1

• Вычислительная математика• Программирование• Операционные системы• Архитектура ЭВМ

Рекомендации по преподаванию информатики в университетах от ACM и IEEE/CS

CC’2001 предлагает несколько вариантов учебных планов. Курсы компонуются из разделов одного или нескольких направлений. Различают курсы вводные, промежуточные, продвинутые.

CC’2001

Информационные технологии

Computer science (CS) - информатика

Computer engineering CE) - разработка HW

Software engineering (SE) - разработка SW

Information systems (IS) - разработкаавтоматизированных систем

Направления изучения информационныхтехнологий по СС’2001

Вычислительная математика - методы вычислений Дискретная математикаОсновы программированияЯзыки программирования Алгоритмы и теория сложностиАрхитектура и организация ЭВМОперационные системыИнтерфейс «ЭВМ-человек»Графика и визуализацияРаспределенные вычисленияИнтеллектуальные системыУправление даннымиСоциальные и профессион. вопросыТехнологии программирования

Units

Computing Curricula 2001

Topics

Areas

CS

Программные комплексы и технологии CS_2

• Офисное программное обеспечение (редакторы, электронные таблицы,…)• Базы данных• Компьютерная графика• Сетевые технологии, включая Web-технологии• ИЭТР (Интерактивные электронные технические руководства), включая мультимедиа, гипертекст.

Жизненный цикл промышленных изделий

Маркетинговые исследования

Проектирование

Подготовка производства

Эксплуатация

Утилизация

Производство

CAECAD

CAM

PDM

CRM ERP

SCM

SCADA

CNC

MRP-2

MES

IETMPLM

Верхние уровни

Проектирование

Подготовка производства

Производство

Реализация

Эксплуатация

Утилизация

АСУТП

(CAE/CAD/PDM)

САПР

АСТПП

АСУП

ИЭТР

(CAM, SCM, SCADA)

(ERP, MES, СRM)

(IETM)

База данных -единая модель изделия

CatiaUnigraphicsSolidWorksInventorAnsys…...

R3OracleГалактикаПарус…..

MasterCAMTraceModeCitect…... ИПИ

Разработчики

Пользователи

Жизненный цикл изделий и поддерживающие системы

1. САПР в машиностроении

1.1. Системы автоматизированного проектирования CAD/CAM

Компьютерная графика и геометрическое моделирование. Программное обеспечение: 1) 3D твердотельное и поверхностное моделирование; 2) Высокая размерность сборок;3) Многомодульность (большое число модулей, в том числе для особых конструкций и технологий). 4) Требования к аппаратному обеспечению.

CAD/CAM высокого или среднего уровня?Catia, Unigraphics, ProE;Inventor, SolidWorks, SolidEdge, T-Flex, Компас

CAD/CAM, ERP

1.2. Системы анализа и инженерных расчетов (CAE)

Численные методы, основы математического моделирования.

Программное обеспечение:

а) Анализ прочности, температурных и электромагнитных полей, течений жидкостей и газов, акустика,... б) Анализ динамики сложных механических систем. Примеры программ САПР : Ansys, Cosmos, Nastran, Adams, ПА9 и др. Математические пакеты :MathLAB, MathCAD, Labview,...

2. ECAD: автоматизация проектирования в электронике 2.1. Проектирование СБИС (на стандартных ячейках)

Планирование кристалла, VHDL описание, синтез и верификация на RTL и вентильном уровнях, синтез тестов, размещение, трассировка, компоновка и др.

Полнофункциональные системы проектирования СБИС -

Synoрsis, Mentor Graphics, Cadencе.

2.2. Проектирование РЭА

Вычислительная и дискретная математика (аналоговое и логическое моделирование, математическое программирование, конечные автоматы)

Программное обеспечение:

Проектирование печатных плат, аппаратуры на ПЛИС, систем связи, аналого-цифровое моделирование и оптимизация и др.

Системы сквозного проектирования РЭА:

OrCAD, P-CAD, Protel-99SE.

3. Автоматизированные системы управления

ERP

MES

SCADA

Встроенное оборудование

3.1. ERP/MRP/SCM/CRM• Календарное планирование производства;• Оперативное управление производством (MRP);• Финансово-экономическое управление, бухгалтерия;• Логистика (MRP);• Управление проектами;• Управление персоналом;•Управление информационными ресурсами и др.MES - производственная исполнительная система.SCADA:управление контроллерами; алармы; тренды;разработка прикладного ПО; анализ процессов и отчеты.

4. Интегрированная логистическая поддержка(связь этапов разработки, изготовления и эксплуатации)

Средства эксплуатации, диагностика, расчет надежности, заказ запасных деталей, упаковка и транспортировка, управление поставками, кодификация,...

Пример: стандарт Великобритании DEF-CTAN-0060.

Математическое обеспечение CALS

Математический аппарат, используемый в интегрированных ресурсах и в важнейших прикладных протоколах (АР203), - геометрическое моделирование, МКЭ.

Модели и методы имитационного моделирования сложных интегрированных систем - системы массового обслуживания, сети Петри.

Методы структурного синтеза и принятия решений, включая логистические задачи и управление проектами, - дискретное математическое программирование (в т.ч. генетические алгоритмы)

CALS

Программное обеспечение CALS-технологий

Виды ПО: 1) Системы управления проектными данными PDM (включая программы управления документооборотом);2) Редакторы, верификаторы, конверторы языка Express;3) Инструментальные средства разработки ИЭТР;4) Средства поддержки работы в сетевой среде (SOAP, CORBA, RPC и т.п.), включая средства ЭЦП;5) Средства ИЛП.

Функции PDM:• Поддержка структурирования данных и навигации по дереву изделия, визуализация данных;• Управление версиями и внесением изменений;• Управление документами и документооборотом;• Управление потоком работ;• Поддержка электронной подписи;• Конвертирование форматов данных.

Разработчики ИТ Пользователи ИТ

Категории специалистов:

Остальные специальностиРяд спец. ИУ и РК.

Подготовка разработчиков ИТ.

Направления и специальности по ИТ в России

654600 Информатика и вычислительная техника 2201 Вычислительные машины комплексы, системы и сети2202 Автоматизированные системы обработки информации и управления

2203 Системы автоматизированного проектирования2204 Программное обеспечение вычисл. техники и автоматизир. систем

2205 Конструирование и технологии электронно-вычислительных средств 2206 Организация и технология защиты информации2207 Комплексное обеспечение инф. безопасности автомат. систем.0719 Информационные системы2110 Автоматизированное управление жизненным циклом продукции

В компетенцию инженера-пользователя входят:• постановка задач;• выбор методов и компьютерных программ;• интерактивное управление процессом решения задач в современных компьютерных средах.

Что инженер должен знать и применять?

Подготовка пользователей

Реализация:

1-2 курсы - Информатика и Компьютерная графика.

2-3 курс - Основы автоматизированного проектирования, Управление в технических системах, фрагменты использования ЭВМ в курсах Сопромата, ДМ, ТММ.

Старшие курсы - изучение избранных глав (например, «Моделирование распределенных процессов») и/или конкретных САПР (например, Pro Engineer, Catia, Inventor, T-Flex,...) по усмотрению профилирующей кафедры.

Необходимый минимум знаний и умений:

В федеральном компоненте - персональный компьютер; Internet; компьютерная графика; базы данных; моделирование, в том числе МКЭ; введение в ИПИ-технологии.

В региональном компоненте - освоение работы в конкретной САПР.

Использование ЭВМ и САПР в учебном процессеМГТУ им. Н.Э.Баумана

(обзор учебных программ дисциплин)

Информатика и общепрофессиональные дисциплины

1-2 с. Информатика: Устройство ЭВМ (2ч.), текстовые редакторы (1+2ч.),Программирование на Паскале (22+22 ч.), машинная графика (4+8ч.), технология разработки программ (4+16ч.).1-3 с. Компьютерная графика: Только лаб. работы (AutoCAD). 3-4 с. Сопромат: Подробно рассматривается физика явлений, основные уравнения состояния, но нет раздела по МКЭ.4-5 с. ТММ: Раздел «Программное обеспечение автоматизированного проектирования механизмов» (внеаудиторная работа - ДЗ, КП, много проектов на ЭВМ); в каждом разделе -есть применение ЭВМ.5 с. Материаловедение (для МТ): ЭВМ не используется.5-6 с. Детали машин: В одной из лекций рассказывается о кафедральных программах расчета на ЭВМ. Этот пакет широко используется в КП.6с. Технология конструкционных материалов: ЭВМ не используется.* Основы автоматизированного проектирования (34 ч.): Техническое, математическое и программное обеспечение САПР.* Управление в технических системах (205 ч лекций и семинаров): Применение ЭВМ для расчета переходных процессов в нелинейных системах, раздел, посвященный микропроцессорам (34 ч.), нейросетевые методы (16 ч.).

Лабораторные работы

1-2 с. Информатика (68 ч.).1-3 с. Компьютерная графика (68 ч.): AutoCAD.3-4 с. Сопромат: Лаб. работы без ЭВМ.4-5 с. ТММ: Используется ряд расчетных программ (синтез и моделирование механизмов).5-6 с. Детали машин: В двух работах обработка результатов на ЭВМ.5 с. Материаловедение (для МТ): ЭВМ не используется.* Основы автоматизированного проектирования (17 ч.): Моделирование, пакеты САПР (ПА9, Ansys, Microstation). 5-6 с.Управление в технических системах (48 ч.):- Методы моделирования САР;- Оптимальное управление (на ЦА комплексе).

Персональный компьютер ИУ7

Сети и Internet ?

Компьютерная графика РК1

Базы данных ?

Моделирование РК6 и спецкафедры

МКЭ РК6 и спецкафедры

Введение в ИПИ-технологии РК6 и спецкафедры

Освоение работы в конкретной САПР Спецкафедры

Выводы:1. Использование ЭВМ за последние годы заметно расширилось.2. В программах не уделено должного внимания таким важным разделам ИТ, как базы данных, информационные сети (в том числе Internet и Web-технологии).3. Имеются резервы расширения тематики ЭВМ и ИТ, прежде всего в лабораторных циклах (МКЭ, геометрическое моделирование, математические пакеты типа MathCAD, Labview, Maple и т.п.).

Специальные дисциплины Имеются дисциплины, целиком посвященные применению ИТ для решения прикладных проектных задач. Например:МТ1 - Автоматизированное проектирование станков,МТ3 - Теория принятия проектных решений,МТ5 - Интегрированные компьютерные системы литья, Проектирование оснастки на ЭВМ.МТ11 - Информационное обеспечение разработок и исследований.РК4 - САПР ПТМ и роботов.РК5 - САПР упругих элементов.РЛ2 - Автоматизация проектирования оптико-электронных приборов.РЛ6 - Автоматизированное проектирование РЭС.СМ1 - Моделирование технических систем.СМ7 - Моделирование и исследование роботов и РТС. Методы искусственного интеллекта.СМ10 - Моделирование систем автомобиля.Э1 - автоматизация проектирования двигателей.Э9 - Информационные технологии природопользования.ИБМ1 - Информационные технологии управления и др.

В МГТУ разрабатывается федеральный инженерный образовательный портал(http://www.techno.edu.ru/)

В частности, начинается наполнение портала по дисциплинам информатики и вычислительной техники.

Запланирована на 2004 г. разработка электронных учебников по базам данных, телекоммуникациям и сетям, основам САПР.

В издательстве МГТУ выпускается серия учебникови учебных пособий

«Информатика в техническом университете».

Учебно-методическое обеспечение

Выводы:1. В учебных планах большинства специальностей имеются курсы, посвященные применению информационных технологий.2. Используются как специализированные расчетные программы, так и известные пакеты. 3. Использование средств САПР в лабораторных практикумах в целом недостаточное. В ряде случаев в курсах «Основы проектирования…» или «Основы конструирования…» нет разделови лабораторных работ по САПР.

4. В то же время на ряде кафедр вопросы САПРвынесены в отдельные дисциплины, изучаемые позднее. При этом автоматизированное и неавтоматизированное проектирование изучаются раздельно.

Оснащение учебных аудиторий современными средствами ведения учебного процесса

Минимальные требования (для лекционных занятий): - мультимедийный проектор + экран: - ноутбук; - интернетизация. Максимальные требования: доступность аудиторий типа 319.

Изменение методики проведения занятий при наличии набора слайдов(с возможностью их тиражирования).

Рекомендации:

1. Учебно-методическим комиссиям факультетов выполнить анализ согласованности учебных планов и программ выпускающих кафедр с позиций достаточности и непрерывности преподавания вопросов ИТ. 2. Отделу информатизации МГТУ: а) разработать перспективные планы обеспечения учебного процесса лицензионным программным обеспечением; б) создать службу оснащения компьютерными средствами (в первую очередь, мультимедийными проекторами и ноутбуками, доступом к Internet) основных лекционных аудиторий.