Возможности облачных технологий в процессе проникновения ИТ в обучение

Дмитрий Смирнов, руководитель дирекции по работе с образовательным и государственным секторами компании “АйТи”,

Сергей Сухоруков, заместитель руководителя дирекции по работе с образовательным и государственным секторами компании “АйТи”

При обсуждении вопросов применения информационных технологий в образовании основное внимание, как правило, уделяется автоматизации хозяйственной и образовательной деятельности, а также, но в меньшей степени, дистанционному обучению. Но подобные решения носят вспомогательный по отношению к собственно образованию характер. Пользователями таких систем являются в подавляющем большинстве сотрудники вузов, а преподаватели и студенты используют только очень небольшую часть функциональных возможностей. Другие ИТ-решения находят применение в стенах университетов в основном при научно-исследовательской деятельности, выполнении работ по заказу коммерческих компаний, но не в учебном процессе. Средств, позволяющих менять подход к обучению в той же степени, в которой информационные технологии дают возможность модернизировать хозяйственную, производственную деятельность и бизнес-процессы организаций и предприятий, крайне мало.

Какие же ИТ-решения могут найти применение для повышения качества образования? В частности, может ли быть полезен в обучении, наверное, один из наиболее обсуждаемых в настоящее время подходов в ИТ — облачные сервисы? Конечно, сам по себе данный подход не является прикладным решением. Однако применение его возможностей позволит создавать, распространять и применять в образовательной среде такие приложения-сервисы, которые смогут стать частью учебных программ и привнести в преподавание некоторых дисциплин значительные улучшения.

Образование как вид деятельности предъявляет к информационным технологиям специфические требования, что и является причиной относительно небольшой, по сравнению с автоматизацией административно-хозяйственной деятельности, глубиной проникновения ИТ в учебный процесс. Как разработчиками, так и потребителями ИТ-решений для учебного процесса могут быть только преподаватели конкретных дисциплин. Но для широкого распространения таких решений требуется создание удобного интерфейса, подготовка понятной документации и обучение пользователей. Обеспечить это в достаточном масштабе могут только специализированные компании, которым необходимо финансирование. Поэтому успешное развитие ИТ-решений в учебном процессе оказывается возможным лишь при объединении на общей площадке и централизации разработки всех заинтересованных коллективов в масштабах страны.

Также можно отметить текущую тенденцию укрупнения университетов, централизации и стандартизации образования по отдельным направлениям в рамках школ (факультетов) в составе вузов. Создание федеральных университетов требует объединения не только управленческих процессов, но и методик преподавания и содержания отдельных курсов. И именно в контексте такой централизации применение облачных технологий становится тем подходом, который может обеспечить реализацию и широкую доступность ИТ-решений в составе учебных программ.

Кроме этих организационных факторов в последние годы в вузах происходит накопление вычислительных мощностей, приобретаемых за счет бюджетных средств, выделяющихся на развитие образовательной и научной деятельности. Во многих вузах были установлены и введены в эксплуатацию вычислительные кластеры, причем некоторые из них на момент запуска входили даже в международный рейтинг TOP500. Загрузка этих вычислительных мощностей в рамках учебного процесса может быть также решена с использованием облачных технологий.

Рассмотрим те характеристики облачных технологий, которые позволят ускорить начало повсеместного использования ИТ в обучении. В первую очередь отметим такое “внутреннее” свойство облаков, как возможность организации совместной работы. Она позволит участвовать как в разработке, так и в освоении решений большому количеству преподавателей и разработчиков по отдельным направлениям из различных вузов. Еще одна существенная характеристика — отсутствие территориальной привязки пользователя сервиса к месту его предоставления, что позволит быстро включать создаваемые решения в учебный процесс. Также при использовании облачных сервисов отсутствуют принципиальные ограничения на размер “аудитории” и время проведения “занятий”, что способствует их использованию для выполнения студентами самостоятельных работ, в том числе коллективных.

Какие же конкретные прикладные сервисы в облачной вычислительной среде могут быть применимы в составе курсов обучения? Если рассматривать широкий круг дисциплин, не ограничиваясь только теми, что предполагают изучение существующих отраслевых приложений (например, информационные технологии, другие технические специальности), можно выделить два класса решений — имитационное моделирование и дистанционный доступ к лабораторной базе.

Для их реализации требуется единая среда, позволяющая и разрабатывать необходимые сервисы, и управлять их исполнением с использованием распределенных вычислительных ресурсов. Наличие такой среды, имеющей дружественный пользователю и интуитивно понятный интерфейс, позволит быстро создавать, осваивать и использовать средства моделирования по различным направлениям — от технических до социальных.

Если говорить о лабораторной базе, то важно обеспечить доступ студентов к современному научному оборудованию, на котором проводятся реальные исследования по изучаемой дисциплине и проблематике. Это позволит учащимся если не участвовать в проведении экспериментов, то, как минимум, наблюдать их, а также даст возможность преподавателям участвовать в “реальной” научной жизни по “своим” дисциплинам. Для этого нет необходимости каждому вузу закупать дорогостоящее научное оборудование. Достаточно обеспечить возможность участвовать и/или проводить эксперимент дистанционно и даже в режиме реального времени.

Также немаловажно создание сообществ разработчиков сервисов по тематическим направлениям, а возможно, и пользователей, которое может быть реализовано в рамках этой среды.

Многопрофильная инструментально-технологическая платформа

Начиная с сентября 2010 года в СПбГУ ИТМО по заказу “АйТи” ведется разработка многопрофильной инструментально-технологической платформы (МИТП) создания и управления распределенной средой облачных вычислений. МИТП представляет собой комплекс программного обеспечения распределенных вычислений, предназначенный для:

• создания, исполнения и управления прикладными сервисами и композитным приложениями на их основе в среде облачных вычислений;
• управления вычислительными, информационными и программными ресурсами распределенной вычислительной среды в рамках модели облачных вычислений.

Безусловно, МИТП предназначена не только и не столько для применения исключительно в образовательных целях, но такое использование платформы полностью соответствует ее назначению и характеристикам. Кроме того, создаваемые в учебных целях прикладные сервисы могут быть адаптированы и использованы в рамках различных НИОКР.

При создании МИТП применяется качественно новый подход к построению распределенных вычислительных платформ на основе технологии динамического управления комплексом программно-информационных ресурсов, доступных посредством облачной вычислительной среды. Процесс управления включает в себя процедуры построения композитного приложения, обеспечивающего решение сложной вычислительной задачи; запуска и контроля вычислительного процесса в рамках этого приложения; анализа и оценки полученного результата. Как следствие, МИТП будет обладать механизмами, обеспечивающими:

• семантическое описание композитных приложений в распределенной среде на основе WorkFlow, обеспечивающих запуск, выполнение, остановку и возобновление работы цепочки заданий в ручном и автоматическом режимах, а также интеллектуальный поиск и выбор прикладных сервисов для их реализации;
• динамическое управление (мониторинг состояния, запуск приложений, передача данных, распределение нагрузки) в автоматическом режиме набором распределенных ресурсов, доступных в распределенных средах различного уровня (от корпоративных ЛВС до распределенных сетей GRID);
• автоматическую оптимизацию (по временным и/или другим характеристикам) процесса исполнения композитного приложения путем манипулирования выбором доступных вычислительных ресурсов и прикладных сервисов;
• обеспечение возможностей предоставления композитных приложений как облачных продуктов в среде Интернет, включая механизмы квотирования, биллинга и тарификации, так и интерпретации получаемых результатов (в том числе на основе технологий визуализации).

Эти механизмы формируют системный подход к развитию линейки решений, позволяющих строить технологические платформы облачных вычислений на существующей или перспективной распределенной вычислительной инфраструктуре, с единых позиций обеспечивающие весь процесс предоставления наукоемкого программного обеспечения как услуги (сервиса) для широкого круга организаций науки и образования, промышленности, бизнеса и социальной сферы.

Коснемся еще такого важного момента, как источники финансирования. Этот вопрос, безусловно, многогранен и, если обратиться к международному опыту, то в первую очередь это должны быть целевые гранты и субсидии на подготовку специалистов и проведение научных разработок по заданным тематикам. Также это средства в виде государственных субсидий, полученные для реализации конкретных тематик, либо получаемые от коммерциализации собственных научных и исследовательских разработок в реальном секторе экономики.

В заключение отметим, что облака (облачные технологии) и специализированные платформы для них — не “лекарство от всех проблем”, как иногда это пытаются представить. Но если применять их вдумчиво, то это весьма эффективный инструмент для решения задач, стоящих перед образованием.

СПЕЦПРОЕКТ

Многопрофильная инструментально-технологическая платформа (МИТП) создания и управления распределенной средой облачных вычислений CLAVIRE (CLoud Applications VIRtual Environment) предназначена для создания, исполнения и предоставления сервисов доступа к предметно-ориентированным высокопроизводительным композитным приложениям, функционирующим в облаке неоднородных вычислительных ресурсов корпоративного уровня, уровня центров компетенции, центров обработки данных, инфраструктур экстренных вычислений и распределенных хранилищ данных. МИТП CLAVIRE разрабатывается в СПбГУ ИТМО по заказу ЗАО “Фирма АйТи. Информационные технологии” в составе проекта “Создание распределенной вычислительной среды на базе облачной архитектуры для построения и эксплуатации высокопроизводительных композитных приложений” в рамках реализации постановления Правительства РФ № 218 “О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства”.