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) и информационная 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 CC2001 предлагает несколько вариантов учебных планов. Курсы компонуются из разделов одного или нескольких направлений. Различают курсы вводные, промежуточные, продвинутые. CC2001

Вычислительная математика - методы вычислений Дискретная математика Основы программирования Языки программирования Алгоритмы и теория сложности Архитектура и организация ЭВМ Операционные системы Интерфейс «ЭВМ-человек» Графика и визуализация Распределенные вычисления Интеллектуальные системы Управление данными Социальные и профессион. вопросы Технологии 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 CAE CAD CAM PDM CRM ERP SCM SCADA CNC MRP-2 MES IETM PLM 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 Catia Unigraphics SolidWorks Inventor Ansys …... R3 Oracle Галактика Парус ….. MasterCAM TraceMode Citect …... 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 Информатика и вычислительная техника 2201 Вычислительные машины комплексы, системы и сети 2202 Автоматизированные системы обработки информации и управления 2203 Системы автоматизированного проектирования 2204 Программное обеспечение вычисл. техники и автоматизир. систем 2205 Конструирование и технологии электронно-вычислительных средств 2206 Организация и технология защиты информации 2207 Комплексное обеспечение инф. безопасности автомат. систем Информационные системы 2110 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 процессе МГТУ 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 ( 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 учебников и 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 разделов и лабораторных работ по САПР. 4. В то же время на ряде кафедр вопросы САПР вынесены 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.