Текст книги "Цифровое просвещение – философия, стратегия, этика, Виртуальная Компьютерная Лаборатория. Искусство и наука технологического лидерства в эпоху искусственного интеллекта"

Холистический подход: Виртуальная Компьютерная Лаборатория в ракурсе системной инженерии

Согласно определению Л. Берталанфи системная инженерия (Systems Engineering) есть научное планирование, проектирование, оценка и конструирование систем «человек-машина» [64]. В СССР системная инженерия стала активно развиваться в начале 60-х г. г. XX века под названием системотехника. В военной среде системотехника определялась как фундаментальная концепция и мощный рабочий аппарат для профессионального решения проблем построения сложных систем боевого назначения [65], а в академической среде как научное направление, изучающее свойства системотехнических комплексов, процессы их создания, совершенствования, использования и ликвидации в целях получения максимального социального эффекта [66]. Назначение системной инженерии состоит в руководстве созданием сложных систем [67] и может быть представлена в виде междисциплинарного подхода и методов, которые обеспечивают поэтапное создание эффективных систем [68].

Современное определение системной инженерии из стандарта ISO/IEC/IEEE 15288:2023 характеризует ее как мультидисциплинарный подход, который способствует успешной разработке, применению и выводу из эксплуатации инженерных систем, на основе использования системных принципов и концепций, а также научных, технологических и управленческих методов. Однако, при создании Виртуальной Компьютерной Лаборатории, автор опирался на толкование системной инженерии от Саймона Рамо (Simon Ramo) и Ричарда Бутона (Richard Booton), в котором декларируется что системная инженерия – это составная часть традиционного инженерного дела, сконцентрированная на разработке и применении целого как сущности, отличной от составляющих ее частей, т.е. рассмотрение проблемы во всей ее полноте, с учетом всех ее сторон, факторов и показателей, с увязкой социальных и технических аспектов [69].

Концепция Виртуальной Компьютерной Лаборатории возникла, в том числе, и благодаря холистическому подходу (холизм, от греч. «ὅλος» – целый, весь), который рассматривает систему или явление как целое, утверждая, что все части системы находятся в тесной взаимосвязи и взаимодействуют таким образом, что поведение целого не может быть полностью понято только через анализ его составляющих частей. Холистический подход подчеркивает важность контекста и взаимодействия между частями системы, утверждая, что «целое больше суммы его частей».

С точки зрения системной инженерии Виртуальную Компьютерную Лабораторию можно рассматривать как сложную систему, целеполаганием которой является решение проблемы подготовки ИТ-специалистов за счет предоставления им в процессе учебы свободного доступа к вычислительным ресурсам и аппаратному обеспечению в виде облачных сервисов на основе принципов самоорганизации для получения практического опыта работы с многокомпонентными информационными системами, поддерживающими отказоустойчивость и балансировку нагрузки. Виртуальная Компьютерная Лаборатория также закрывает потребности в вычислительных ресурсах и инфраструктуре хранения данных для проведения исследований в области машинного обучения, Computer Science и Data Science. Кроме того инженерный подход позволил взглянуть на Виртуальную Компьютерную Лабораторию как на целостную систему деятельности, благодаря анализу нужд и потребностей, разработке концепции эксплуатации, анализу назначения системы, определению требований и поиску компромиссов.

Виртуальная Компьютерная Лаборатория объединяет разные области знаний – от сборки и настройки серверов; развертывания гипервизоров, контейнеров, систем автоматизации, мониторинга и управления; до педагогики, психологии и этики – чтобы реализовать принципы самоорганизации для продуктивной индивидуальной и командной работы учащихся.

В процессе создания концепции и архитектуры Виртуальной Компьютерной Лаборатории, а также ее непрерывной актуализации автор опирался на абстрагирование, системные архетипы, целостное холистическое мышление, модульность, иерархическое структурирование, инкапсуляцию, причинно-следственные связи, модели поведения, имерджентность, устойчивость к отказам, ориентацию на пользователей и многие другие аспекты.

Виртуальная Компьютерная Лаборатория наглядно демонстрирует многоаспектность системной инженерии и подчеркивают важность комплексного подхода при проектировании и управлении сложными социотехническими системами. Более того, в зависимости от специфики конкретного образовательного учреждения и образовательных задач, определенные принципы или аспекты могут иметь более высокий приоритет, чем другие.

Однако, несмотря на все старания и усилия, проект Виртуальной Компьютерной Лаборатории, по мнению автора, так и не смог получить должной поддержки даже в стенах альма-матер. В своих размышлениях об истинной сущности работы над проектом Виртуальной Компьютерной Лаборатории с 2007 года автор с особым акцентом подчеркивает, что его изыскания помимо системного анализа и управления, по праву относятся как к инженерной, так и к научной деятельности. Тем не менее его мнение не нашло отклик в академических кругах из-за того, что многие авторитетные мэтры отказывались видеть в его работе инженерную и научную составляющие, ссылаясь на то, что это тривиальные, всем известные и очевидные разделы стандартной педагогической практики, отвергая Виртуальную Компьютерную Лабораторию как что-то достойное внимания и оценивая проделанную автором работу, как наукообразную деятельность, которая по их мнению, то ли воссоздает, то ли имитирует принципы и методы научного поиска.

Тем не менее, автор решительно защищает свою позицию, подчеркивая, что его деятельность является как минимум инженерной, если брать во внимание [70—76] и тесно связана с целесообразным изменением и преобразованием окружающего мира путем приобретения, развития и применения научных, технических, технологических и педагогических знаний, касающихся изобретения, проектирования, создания, испытаний и эксплуатации Виртуальной Компьютерной Лаборатории в интересах удовлетворения нужд и потребностей цифровой экономики в высококвалифицированных ИТ-профессионалах и архитекторах проектно-технологических решений.

Несмотря на разновекторные оценки в свой адрес, автор подчеркивает свою преданность инженерному делу, рассматривая его как основополагающий элемент в обеспечении будущего развития и благополучия общества.

Для автора, в контексте системной инженерии и работы над проектом Виртуальной Компьютерной Лаборатории, наука является особым видом познавательной деятельности, которая направлена на выработку объективных, системно организованных и обоснованных знаний.

Таким образом, Виртуальная Компьютерная Лаборатория, рожденная на стыке системной инженерии, педагогики и передовых технологий, представляет собой не просто образовательный инструмент, а живой, динамичный организм, способный адаптироваться и эволюционировать вместе с потребностями цифровой эпохи. Она воплощает в себе торжество целостного (холистического) подхода, где каждая деталь, каждый аспект взаимосвязаны и служат общей цели – формированию нового поколения ИТ-специалистов, готовых к вызовам будущего.

Методические особенности исследования эффективности элементов Виртуальной Компьютерной Лаборатории с применением системного подхода

Виртуальная Компьютерная лаборатория является сложной системой. Сложная система66
  В литературе встречаются понятия «большой» и «сложной» системы. Сложная система является более общим понятием. Когда речь идет о большой системе, то подразумевается многомерность и размеры системы, что можно рассматривать как одну черту сложности [77,78].


[Закрыть] обычно характеризуется многомерностью (большим числом составных элементов), многообразием форм связи (разнородностью структур), многокритериальностью (противоречивостью критериев оценки), многообразием природы элементов (наличием технических устройств и людей), многократностью изменения состояний [77,79—81].

Автор затрудняется дать однозначное толкование сложной системы. Однако, опираясь на [77,79] склоняется к мнению о том, что сложной можно считать систему, которая обладает по крайне мере одним из следующих признаков: система допускает разделение на подсистемы, изучение каждой из которых в рамках поставленной задачи имеет содержательный характер; система функционирует в условиях неопределенности, где воздействие внешней среды или субъектов может вызывать случайные изменения ее параметров и структуры; система осуществляет целенаправленный выбор своего поведения.

Кроме того, сложные системы обладают дополнительными особенностями, такими как сложная иерархическая структура, в которой комплементарно сочетаются принципы централизованного и децентрализованного управления; многоцелевой аспект функционирования системы; возрастание неопределенности в описании системы и особенно в области ее взаимодействия с внешней средой, в рамках которого возможно возникновение конфликтных ситуаций.

Сложная система в своем развитии от появления идеи ее создания до непосредственного применения проходит ряд этапов, которые определяют ее жизненный цикл. Жизненный цикл Виртуальной Компьютерной Лаборатории можно представить следующими этапами: выбор облика системы, проектирование элементов системы, развертывание/реализация элементов системы, опытная эксплуатация элементов в составе системы, непосредственное применение системы для продуктивного решения образовательных задач.

Исходя из того, что под системой понимается совокупность, состоящая из всех объектов, свойств и отношений между ними, необходимых для достижения цели, то определение облика системы эквивалентно определению цели и типа каждого элемента/компонента системы на основе анализа его соответствия этой цели [79]. Именно в результате такого анализа сформировался облик Виртуальной Компьютерной Лаборатории.

На этапе проектирования Виртуальной Компьютерной Лаборатории были определены конкретные параметры каждого элемента/компонента на основе критериев эффективности, являющихся признаками по которым производилась сравнительная оценка альтернатив и выбор наилучшего варианта.

При этом показатели эффективности – характеристики, количественно выражающие степень выполнения системой поставленных задач, были преимущественно счетчиками событий и хронометрическими показателями, позволяющими судить о том, насколько приемлемо или неприемлемо (с точки зрения создателя и студентов) Виртуальная Компьютерная Лаборатория выполняла и продолжает выполнять операции в рамках решения образовательных задач для достижения желаемых образовательных результатов.

При проектировании Виртуальной Компьютерной Лаборатории автор опирался преимущественно на эвристические методы, основанные на опыте и здравом смысле, для принятия решений в условиях неосведомленности (когда ничего не известно о каких-либо факторах), в условиях неопределенности (когда известно только название параметра или диапазон его возможных значений), а также в условиях наличия рисков (когда известен лишь закон распределения). Конечно же такой подход к проектированию является потенциальным источником ошибок, но в силу недостатка данных, времени и ресурсов для поиска оптимального решения, автор не нашел ничего лучшего, как воспользоваться эвристическими методами, такими как: экспертная оценка, мозговой штурм/обратная мозговая атака, метод Дельфи, аналогии, эвристика доступности (оценка вероятности события на основе того, насколько легко его вспомнить), эвристика цены и скидок на оборудование и программное обеспечение, эвристика бренда, эвристика симптомов, а так же эвристика жадности (выбор наилучшего варианта действия на каждом шаге, не принимая во внимание долгосрочные последствия, как если бы Вы выбрали на парковке первое свободное место, которое видите, даже если есть шанс найти место ближе к месту назначения) с последующей эвристикой поиска лучших и/или приемлемых вариантов уже во время эксплуатации Виртуальной Компьютерной Лаборатории.

Эвристические методы позволяют быстро принимать решения, что особенно актуально, когда требуется срочная модификация или адаптация Виртуальной Компьютерной лаборатории, например из-за скачкообразного развития технологий, существенных изменений на рынке труда или острой потребности в специалистах, которые должны уметь работать с новым ресурсоемким специализированным программным обеспечением.

Конечно же, автор отдает себе отчет в том, что принятые решения с применением эвристических методов могут не являться оптимальными, тем не менее они могут быть достаточно эффективными и приемлемыми для быстрого решения появившихся образовательных задач. Кроме того, эвристические методы просты для понимания и использования, что делает их доступными для быстрого вхождения в новую предметную область. Это было особенно важно, когда в 2007 году автор приступил к созданию Виртуальной Компьютерной Лаборатории не имея полного представления о потенциальных проблемах и их масштабе.

Успех проекта Виртуальной Компьютерной Лаборатории, по мнению автора, стал возможен во многом благодаря тому, что на этапе проектирования архитектуры было принято решение придерживаться следующих принципов выбора критериев эффективности для элементов/компонентов Виртуальной Компьютерной Лаборатории: строгое соответствие между целью, поставленной перед системой и критериями эффективности оборудования и программного обеспечения; критичность к целям исследования, т.е. соответствие критериев эффективности масштабу проекта, образовательной и исследовательской деятельности; учет максимально возможного набора факторов, определяющих эффективность системы; выбор таких критериев, при которых показатели эффективности системы легко вычисляются; простота, наглядность и ясный физический смысл критериев эффективности; непротиворечивость частных показателей эффективности общему показателю эффективности системы. Однако, важно иметь в виду, что решение задач проектной эффективности на уровне параметрического анализа, путем сопоставления проектируемых вариантов методами непосредственного или косвенного сравнения, порой приводит к необходимости использования относительных или нормированных метрик.

После завершения этапа проектирования происходит процесс развертывания системы, который включает в себя несколько ключевых активностей. Производится интеграция готовых компонентов и компонентов, созданных собственными силами. При этом следует отметить, что самостоятельную разработку даже небольшого числа компонентов сложно выполнить в условиях ограниченных ресурсов образовательного учреждения. Кроме того, развертывание Виртуальной Компьютерной Лаборатории требует дополнительных ресурсов на проведение испытаний, которые позволяют оценить работоспособность и надежность компонентов системы в условиях, максимально приближенных к реальным. Такие тестирования способствуют выявлению возможных недостатков и определению нужд в доработках, что является неотъемлемой частью процесса оптимизации и улучшения качества итоговой системы.

Основная задача этапа опытной эксплуатации – обеспечение работоспособности системы в целом. Для успешного прохождения данного этапа жизненного цикла сложной системы могут потребоваться методы теории надежности [82—85], а также методы исследования операций, такие как операционно-стоимостной анализ; имитационное и мультиагентное моделирование; линейное, нелинейное и динамическое программирование; теория игр, теория массового обслуживания, теория принятия решений и др.

На этапе непосредственного применения определяются варианты наилучшего использования элементов в составе системы с учетом конкретных условий применения и сложившейся обстановки; с учетом конфликтных ситуаций и неопределенностью стратегий некоторых субъектов, преследующих противоположные интересы; c учетом опыта и результатов, полученных на предыдущих этапах.

Хочется особо отметить, что высокая эффективность проектируемой системы77
  Дополнительную информацию см. в гл. 3 в разделе «Архитектурные компоненты гиперконвергентной Виртуальной Компьютерной Лаборатории» и в разделе «Примеры архитектурных расширений Виртуальной Компьютерной Лаборатории».


[Закрыть] обеспечивается благодаря правильным решениям на всех этапах жизненного цикла, а ошибки и неоправданные допущения на каком-либо одном этапе сказываются на всех последующих. Особенно высока ответственность за принятие решения на ранних этапах жизненного цикла системы.

При исследовании эффективности Виртуальной Компьютерной Лаборатории, как сложной системы, можно выделить три системных направления: системный анализ, исследование операций и проектную эффективность.

Системный анализ опирается на диалектический закон единства, взаимосвязи и взаимообусловленности явлений в мире и обществе, поэтому не следует стремиться разложить систему на отдельные части и исследовать их обособленно, чтобы не потерять из поля зрения холизм и специфику всей системы. Исходя из этого и опираясь на [78,79,86] рассмотрим основные аспекты системного подхода, которые использует автор в качестве фундаментальной основы исследования сложных систем:

– Системно-компонентный аспект. Системно-компонентный аспект отражает изучение состава системы на основе выделения ее составных элементов, взаимодействие которых обеспечивает новые качественные особенности, присущие только системе в целом. Компонентная структура системы позволяет упростить исследование эффективности на этапе проектирования.

– Системно-структурный аспект. Системно-структурный аспект предполагает изучение внутренних связей и взаимодействие элементов системы. Структура – это внутренняя форма системы, определяющая способ взаимодействия составляющих систему компонентов. Она зависит от параметров элементов системы, связывает и преобразует их, придавая системе целостность, а также обуславливает возникновение новых качеств, не присущих ни одному из элементов системы (эмерджентность). Определение связей элементов системы и их изучение являются одним из центральных вопросов проектной эффективности, т.к. на их основе формируются технические решения по системной увязке элементов. Также следует иметь в виду, что структурные свойства системы определяются характером и устойчивостью взаимосвязей между элементами. Существуют детерминированные структуры, которые характеризуются либо неизменными взаимосвязями, либо меняющимися по определенному закону; вероятностные, если взаимосвязи описываются законами теории вероятностей; хаотические, если взаимосвязи элементов непредсказуемы.

– Системно-функциональный аспект. Системно-функциональный аспект предусматривает изучение функциональных зависимостей между элементами системы. Функции системы представляют собой интегрированный результат функционирования образующих систему компонентов. В зависимости от характера взаимодействия с другими системами, функции систем можно укрупненно разделить следующим образом: пассивное существование (материал для других систем), обслуживание систем более высокого порядка, противостояние другим системам, поглощение других систем, преобразование других систем [78]. Функции компонентов по отношению к системе должны носить целесообразный характер и согласовываться во времени и пространстве, формируя систему как единое целое. Кроме того, часто можно встретиться с выделением координации и субординации функций, где координация – согласование функций компонентов системы по горизонтали, а субординация – согласование функций компонентов по вертикали, которое определяет подчиненность функций одних компонентов другим, указывая специфическое место и неодинаковое значение каждого из компонентов в осуществлении функционирования системы.

– Системно-интегративный аспект. Системно-интегративный аспект предусматривает изучение системообразующих механизмов, присущих конкретной системе, что обеспечивает факторы системности и наличие свойств, которые создают условия для сохранения качественной специфики системы, ее функционирования и развития. Наряду с системно-структурным аспектом, здесь также могут выясниться новые качества, присущие системе в целом и не присущие каждому компоненту в отдельности. Для технических систем это связано с выявлением новых дополнительных возможностей системы, получаемых за счет правильного объединения ее отдельных элементов.

– Системно-коммуникационный аспект. Системно-коммуникационный аспект предусматривает изучение системы во взаимодействии с внешней средой и выявление возмущающих факторов. Поскольку система существует в некоторой взаимосвязи с другими системами, то внешние по отношению к данной системе сущности, с которыми система связана сетью коммуникаций, составляют ее среду или окружение.

– Системно-исторический аспект. Системно-исторический аспект направлен на изучение ретроспективы и перспективы развития системы, т.е. требует представления системы в ее непрерывном развитии. Практически каждая техническая система проходит этапы разработки, реализации, эксплуатации и последующего совершенствования на новом уровне. Поэтому для изучения системы желательно знать, как возникла данная система, какие этапы совершенствования проходила в своем развитии, какой она стала в настоящее время и какие перспективы развития имеет в будущем. В большинстве случаев разработка новых систем опирается на предшествующие и существующие системы. Как правило, новая система возникает сначала на основе разрозненных компонентов, которые объединяются и дорабатываются опираясь на уже имеющийся опыт, что позволяет использовать все лучшее, что накоплено в технике и технологиях. Вместе с тем, уже на этапе разработки системы необходимо исследовать перспективы ее дальнейшего развития и предусмотреть возможности модернизации ее компонентов, что необходимо в связи с быстрым моральным устареванием некоторых элементов, а также в связи с существенным различием гарантийных или рекомендуемых сроков эксплуатации элементов различного типа.

С помощью методов системного анализа определяются цели и задачи, которые должна решать система, выбираются критерии эффективности для исследования проектной эффективности, сравниваются возможные варианты облика системы, определяется эффективность и стоимость этих вариантов, оцениваются сроки создания, строятся модели рисков и угроз для каждого варианта, выбираются лучшие варианты или ставятся более обоснованные задачи, если поставленные ранее задачи оказываются несостоятельными. Кроме того, из-за высокого уровня неопределенности, недостатка данных и широких диапазонов поиска решения успешный результат достигается, как правило, при непрерывно повторяющемся цикле исследований.

Исследование операций ориентировано на применение научных подходов, принципов, методов и средств к исследованию функционирования системы с целью предоставления лицам, ответственным за управление этой системой рекомендаций по оптимальным решениям [87—90]. Под операцией в данном случае понимается любое мероприятие, направленное на достижение определенной цели, а под целью операции – ее желаемый (ожидаемый) результат, достижимый в пределах некоторого промежутка времени. К основным методическим особенностям исследования операций можно отнести необходимость построения формализованных моделей бизнес-процессов и их ресурсного окружения, например с применением методологии ARIS или BPMN [91—99], а также всех процедур и операций низкого уровня для широкого охвата различных сторон деятельности; учет предыдущего опыта по исследованию аналогичных операций; учет данных экспериментов, испытаний, а также результатов имитационного и мультиагентного моделирования; направленность результатов исследований на облегчение принятия решений, а не на выдачу самого решения.

Анализ проектной эффективности можно рассматривать как направление системных исследований на этапе проектирования, опираясь на системный анализ и исследование операций. Основной задачей проектной эффективности является определение конкретных параметров каждого элемента/компонента проектируемой системы, исходя из оценки эффективности системы в целом, где объектами исследования являются элементы/компоненты сложной системы, определяемые множеством возможных вариантов реализаций с учетом всех их характеристик, особенностей и свойств в рамках дисциплинирующих условий, с анализом их влияния на эффективность всей системы в целом и учетом затрат на всех этапах жизненного цикла. Кроме того, для проектной эффективности характерно наличие не формализуемых факторов, таких как опыт работы в предметной области, принципы плюрализма и самоорганизации, взаимоотношения в коллективе и между подразделениями и т.п., которые требуют творческого осмысления и анализа результатов проделанной работы.

Системный подход к исследованию эффективности элементов Виртуальной Компьютерной Лаборатории дает возможность не только оценить отдельные компоненты, но и выявить их взаимосвязи и влияние на общую результативность обучения. Это дает возможность преподавателям принимать обоснованные решения по оптимизации лаборатории, максимально повышая ее потенциал. Тем не менее эффективность Виртуальной Компьютерной Лаборатории не ограничивается лишь техническими характеристиками и функциональными возможностями, т.к. важную роль играют методические аспекты использования Виртуальной Компьютерной Лаборатории, а также педагогическая квалификация и профессиональная экспертиза преподавателей и мотивация студентов.

Виртуальная Компьютерная Лаборатория обладает значительным потенциалом для трансформации образования. Дальнейшее развитие и совершенствование методов исследования эффективности, а также сбор и анализ недостающих данных позволит раскрыть этот потенциал в полной мере и создать новую эру образования, основанного на передовых технологиях и глубоких научных знаниях. Исследование эффективности Виртуальной Компьютерной Лаборатории – это не разовый акт, а непрерывный процесс развития и совершенствования лаборатории, в том числе в рамках бакалаврских работ, магистерских и кандидатских исследований. Только при таком подходе можно обеспечить устойчивое повышение качества образования с использованием Виртуальной Компьютерной Лаборатории.

Используя эвристические методы на этапе проектирования, автор подчеркивает важность опыта и интуиции в условиях неопределенности и ограниченных данных. Это подчеркивает не только необходимость быстрого реагирования на изменения в образовательной среде, но и важность принятия взвешенных решений, которые могут не быть оптимальными в классическом понимании, но оказываются достаточно эффективными для достижения целей.

Архитектура и критерии эффективности, разработанные на этапе проектирования, ориентированы на обеспечение строгого соответствия между поставленными задачами и функциональностью каждого элемента системы, чтобы соответствовать диалектическому закону системного анализа, где система не рассматривается изолированно, а видится как часть большого целого.

Следует особо подчеркнуть, что успех Виртуальной Компьютерной Лаборатории во многом обязан применению методов системного анализа на каждом этапе разработки и эксплуатации. Также следует отметить необходимость долгосрочного стратегического планирования и управления, поскольку любой выбор или принятое решение могут оказывать влияние на общую производительность и эффективность системы.

Непрерывное развитие Виртуальной Компьютерной Лаборатории обусловлено быстрым темпом технического прогресса, появлением новых технологий, актуализацией образовательных программ и как следствие изменением потребностей пользователей, что требует от автора постоянного обучения и самосовершенствования, гибкости и открытости к новому, умения слушать и учитывать обратную связь, креативности, инновационного мышления, педагогической компетентности, а также общей эрудиции.

Также хочется отметить, что настоящая мудрость заключается не в отказе от прошлого в погоне за будущим, а в умении находить золотую середину, где ценности и достижения предыдущих поколений гармонично дополняются возможностями современных технологий.