Обучение объектно ориентированной парадигме программирования бакалавров направления «Прикладная информатика»

В соответствии с новым федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования программа бакалавриата должна быть ориентирована на формирование целого комплекса профессиональных компетенций (далее ПК) и по направлению обучения «Прикладная информатика» (от 12.03.2015) в перечень ПК входит «способность программировать приложения и создавать программные прототипы решения прикладных задач» [1]. В связи с этим разделы, посвященные изучению программирования, являются важной, неотъемлемой частью подготовки бакалавров по данному направлению обучения. Новый компетентностный подход провозглашает основой содержания образования не просто знания, а более сложную культурно-дидактическую единицу — целостную компетентность, что является результатом интеграции знаний, существует в форме деятельности и позволяет решать целый класс задач в отличие от функциональной грамотности. Поэтому на сегодняшний день познание каждой из основных парадигм программирования: процедурной, объектно-ориентированной, логической или функциональной, должно давать цельную форму сочетания знаний, умений, навыков, которая позволит справиться с профессиональными задачами в области прикладной информатики. Особенно актуален объектно-ориентированный подход, который сейчас позиционируется как унифицирующая идея всей науки, применимая не только в программировании. Ориентация на объекты позволяет справиться со сложностью систем самой различной природы, и поэтому в настоящее время данная методология является наиболее востребованной при разработке программных продуктов. Аппаратно-программные комплексы и технологии развиваются быстрыми темпами, и чтобы обеспечить студентам — выпускникам соответствующий уровень владения профессиональными компетенциями в сфере прикладной информатики, требуется постоянно пересматривать, дополнять и модернизировать существующие подходы обучения объектно-ориентированной парадигме программирования.

Концепт «парадигма программирования», сформулированный Робертом Флойдом в 1978 году, имеет несколько трактовок и в общем случае это есть система идей и понятий, которая определяет подход к программированию. Рассматривая любую парадигму программирования, необходимо отталкиваться от таких основ, как методология и технология программирования. Методология программирования определяет систему общетеоретических взглядов, посредством которой формируется совокупность методов, способов и приемов разработки, сопровождения и эксплуатации программ, т. е. технология программирования. Анализ научно-методических исследований основ объектно-ориентированной парадигмы программирования (Г. Буч, Б. Мейер, Т. Бадд, Аржанов Н.И, Бабушкина И. А., Барков И. А., Петров А. Н. и др.) позволяет выделить два основных подхода: освоение методологии и овладение технологией объектно-ориентированного программирования (далее ООП) (рис. 1.).

Рис. 1. Подходы к обучению объектно-ориентированной парадигме программирования

В основе обучения бакалавра направления «Прикладная информатика» находятся фундаментальные знания, которые являются универсальными и общетеоретическими, ориентированы на раскрытие сущностных понятий, выявляют и определяют многообразие внутренних и внешних связей с процессами окружающего мира. На практике фундаментальность реализуется в качестве обучения основным понятиям, законам, методам, которые формируют содержание предметной области. Теоретической основой объектно-ориентированного подхода в программировании являются метафоры объекта и класса, которые реализуются в понятиях абстракций реальной действительности. Так, например, в трактовке известного специалиста в области ООП Гради Буча «объект — это мыслимая или реальная сущность, обладающая характерным поведением и отличительными характеристиками и являющаяся важной в предметной области», «класс — это некое множество объектов, имеющих общую структуру и общее поведение» [2 c. 46, с. 85]. Изучение определений объекта и класса, как фундаментальных основ объектно-ориентированной методологии, дополняется такими понятиями, как свойства, состояние, поведение, индивидуальность объекта, реализация класса, отношения между классами, объектами. Кроме того, рассмотрение принципов абстрагирования, инкапсуляции, модульности, наследования и др. формирует целостное представление о возможностях и способах объектной декомпозиции.

Именно овладение бакалавром направления «Прикладной информатики» фундаментальными положениями, на которых базируется любой объектно-ориентированный язык программирования, будет являться основой для разработки качественного программного обеспечения. Но, как правило, одних теоретических знаний не бывает достаточно. Объектно-ориентированный программный код объемен, сложен и большая его часть может быть получена в результате автоматической генерации, поэтому наглядно проанализировать объектную декомпозицию задачи на его основе, т. е. имитацию процессов, происходящих в предметной области задачи в виде взаимодействующих объектов, трудно.

Абстрагироваться от используемого языка программирования и сконцентрироваться на объектной структуризации задачи позволяет метод объектно-ориентированного проектирования. Обучение ООП на основе объектно-ориентированного проектирования изучается во многих отечественных и зарубежных работах (Буч Г., Бадд Т., Аржанов И.Н, Петров А. Н. и др.). Некоторые авторы отдельно выделяют объектно-ориентированный анализ, основными задачами которого являются: выявление объектов и их свойств; формирование перечня операций, выполняемых над каждым объектом; определение связи между объектами для образования классов; формулировка требований к интерфейсу с объектами. Модели, полученные в результате объектно-ориентированного анализа, являются основой для объектно-ориентированного проектирования: разработка структуры классов, описывающей связь между классами и объектами; описание взаимосвязи с другими объектами; разработка внутренней структуры программного продукта. Документирование результатов объектно-ориентированного анализа и проектирования выполняется с помощью средств унифицированного языка моделирования (UML — Unified Modeling Language), который по сути является открытым стандартом графических обозначений абстрактных моделей (диаграмм), и с помощью технологий автоматизации проектирования программных продуктов — CASE — средств, выполняющих генерацию программного кода на основе диаграмм языка моделирования (рис. 2, рис. 3).

Таким образом, содержательная часть обучения бакалавра направления «Прикладная информатика» при освоении методологии объектно-ориентированной парадигмы программирования — это изучение фундаментальных основ объектно-ориентированного программирования, введение в технологию анализа и проектирования программ, введение в язык системного моделирования UML и ознакомление с CASE — инструментами (табл. 1).

Рис. 2. Структура моделей UML

Рис. 3. Обзор CASE-средств, реализующих объектный подход

Содержание обучения методологии ООП

Обучение бакалавра направления «Прикладная информатика» технологии объектно-ориентированного программирования методически должно быть направлено на изучение конкретных приемов программирования на основе изучения объектно-ориентированных языков и реализовано с помощью инструментария какой-либо IDE-среды разработки программного обеспечения.

Многие авторы рассматривают общие подходы овладения техникой разработки объектно-ориентированного программного кода (Страуструп Б., Мейер Б. и др.) на основе реализации концепций ООП: наличие типов, определенных пользователем; скрытие деталей реализации (инкапсуляция); использование кода через наследование; разрешение интерпретации вызова функции во время выполнения программы (полиморфизм). Использование только языка программирования не будет достаточным для представления результатов техникой овладения объектно-ориентированной парадигмы программирования, а вот использование изученных возможностей для разработки отдельных частей программного кода в более сложных системах, является неоспоримым преимуществом данного подхода обучения.

Научно-методические вопросы обучения визуальному программированию рассматриваются в работах Бабушкиной И. А., Швецкого М. В., Саблуковой Н. Г., Семакина И. Г., Угриновича Н. Д. и др. Основной акцент в данном подходе обучения делается на возможностях использования широкого спектра готовых библиотек классов и работы с экземплярами этих классов в качестве графических компонентов программного продукта. В этих условиях основной задачей становится изучение иерархии библиотек визуальных средств и их взаимодействие друг с другом, чтобы отслеживать наследование основных свойств и методов. Построение графического интерфейса пользователя с применением средств визуального программирования требует также изучения основных принципов взаимодействия с операционной системой посредством обработки событий и обмена сообщениями.

При овладении бакалавром направления «Прикладная информатика» технологии ООП необходимо органичное сочетание изучения среды визуального программирования и способов проектирования графического интерфейса с возможностями разработки самостоятельных блоков программного кода. Таким образом, содержание данного подхода обучения: устройство и функционирование программы, реализация в системе программирования наследования, инкапсуляции, полиморфизма, структура объектной надстройки системы программирования, иерархия библиотек классов, взаимодействие с операционной системой (табл. 2).

Таблица 2

Содержание обучения технологии ООП

Использование в образовательном процессе бакалавров направления «Прикладная информатика» рассмотренных выше подходов обучения объектно-ориентированной парадигме программирования позволит сформировать целостное изложение учебного материала, ориентировать подготовку профессиональных кадров в области информатики на возможность быстрого освоения большого спектра самых востребованных на сегодняшний день языков программирования (C и C++, C#, Java, ObjectPascal и др.), и, наконец, реализовать смежные профессиональные компетенции по данному направлению обучения, такие как «способность проводить обследование организаций, выявлять информационные потребности пользователей, формировать требования к информационной системе», «способность разрабатывать, внедрять и адаптировать прикладное программное обеспечение», «способность документировать процессы создания информационных систем на стадиях жизненного цикла» и др.

Литература:

1. Приказ Минобрнауки России от 12.03.2015 N 207 «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению подготовки 09.03.03 Прикладная информатика (уровень бакалавриата)" (Зарегистрировано в Минюсте России 27.03.2015 N 36589)
2. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений / Г. Буч, Р.Α. Максимчук, М. У. Энгл и др. — М.: ООО «И. Д. Вильямс», 2008. — 720 с.