Увеличение производительности ЭВМ, за счет чего?

А почему суперкомпьютеры считают так быстро? Вариантов ответа может быть несколько, среди которых два имеют явное преимущество: развитие элементной базы и использование новых решений в архитектуре компьютеров.

Попробуем разобраться, какой из этих факторов оказывается решающим для достижения рекордной производительности. Обратимся к известным историческим фактам. На одном из первых компьютеров мира - EDSAC, появившемся в 1949 году в Кембридже и имевшем время такта 2 микросекунды (2*10-6 секунды), можно было выполнить 2*n арифметических операций за 18*n миллисекунд, то есть в среднем 100 арифметических операций в секунду. Сравним с одним вычислительным узлом современного суперкомпьютера Hewlett-Packard V2600: время такта приблизительно 1.8 наносекунды (1.8*10-9 секунд), а пиковая производительность около 77 миллиардов арифметических операций в секунду.

Что же получается? За полвека производительность компьютеров выросла более, чем в семьсот миллионов раз. При этом выигрыш в быстродействии, связанный с уменьшением времени такта с 2 микросекунд до 1.8 наносекунд, составляет лишь около 1000 раз. Откуда же взялось остальное? Ответ очевиден -- использование новых решений в архитектуре компьютеров. Основное место среди них занимает принцип параллельной обработки данных, воплощающий идею одновременного (параллельного) выполнения нескольких действий.

Параллельная обработка данных, воплощая идею одновременного выполнения нескольких действий, имеет две разновидности: конвейерность и собственно параллельность. Оба вида параллельной обработки интуитивно понятны, поэтому сделаем лишь небольшие пояснения.

Параллельная обработка . Если некое устройство выполняет одну операцию за единицу времени, то тысячу операций оно выполнит за тысячу единиц. Если предположить, что есть пять таких же независимых устройств, способных работать одновременно, то ту же тысячу операций система из пяти устройств может выполнить уже не за тысячу, а за двести единиц времени. Аналогично система из N устройств ту же работу выполнит за 1000/N единиц времени. Подобные аналогии можно найти и в жизни: если один солдат вскопает огород за 10 часов, то рота солдат из пятидесяти человек с такими же способностями, работая одновременно, справятся с той же работой за 12 минут - принцип параллельности в действии!

Кстати, пионером в параллельной обработке потоков данных был академик А.А.Самарский, выполнявший в начале 50-х годов расчеты, необходимые для моделирования ядерных взрывов. Самарский решил эту задачу, посадив несколько десятков барышень с арифмометрами за столы. Барышни передавали данные друг другу просто на словах и откладывали необходимые цифры на арифмометрах. Таким образом, в частности, была расчитана эволюция взрывной волны. Работы было много, барышни уставали, а Александр Андреевич ходил между ними и подбадривал. Это, можно сказать, и была первая параллельная система. Хотя расчеты водородной бомбы были мастерски проведены, точность их была очень низкая, потому что узлов в используемой сетке было мало, а время счета получалось слишком большим.

Конвейерная обработка . Что необходимо для сложения двух вещественных чисел, представленных в форме с плавающей запятой? Целое множество мелких операций таких, как сравнение порядков, выравнивание порядков, сложение мантисс, нормализация и т.п. Процессоры первых компьютеров выполняли все эти "микрооперации" для каждой пары аргументов последовательно одна за одной до тех пор, пока не доходили до окончательного результата, и лишь после этого переходили к обработке следующей пары слагаемых.

Идея конвейерной обработки заключается в выделении отдельных этапов выполнения общей операции, причем каждый этап, выполнив свою работу, передавал бы результат следующему, одновременно принимая новую порцию входных данных. Получаем очевидный выигрыш в скорости обработки за счет совмещения прежде разнесенных во времени операций. Предположим, что в операции можно выделить пять микроопераций, каждая из которых выполняется за одну единицу времени. Если есть одно неделимое последовательное устройство, то 100 пар аргументов оно обработает за 500 единиц. Если каждую микрооперацию выделить в отдельный этап (или иначе говорят - ступень) конвейерного устройства, то на пятой единице времени на разной стадии обработки такого устройства будут находится первые пять пар аргументов, а весь набор из ста пар будет обработан за 5+99=104 единицы времени - ускорение по сравнению с последовательным устройством почти в пять раз (по числу ступеней конвейера).

Казалось бы конвейерную обработку можно с успехом заменить обычным параллелизмом, для чего продублировать основное устройство столько раз, сколько ступеней конвейера предполагается выделить. В самом деле, пять устройств предыдущего примера обработают 100 пар аргументов за 100 единиц времени, что быстрее времени работы конвейерного устройства! В чем же дело? Ответ прост, увеличив в пять раз число устройств, мы значительно увеличиваем как объем аппаратуры, так и ее стоимость. Представьте себе, что на автозаводе решили убрать конвейер, сохранив темпы выпуска автомобилей. Если раньше на конвейере одновременно находилась тысяча автомобилей, то действуя по аналогии с предыдущим примером надо набрать тысячу бригад, каждая из которых (1) в состоянии полностью собрать автомобиль от начала до конца, выполнив сотни разного рода операций, и (2) сделать это за то же время, что машина прежде находилась на конвейере. Представили себестоимость такого автомобиля? Нет? Согласен, трудно, разве что Ламборгини приходит на ум, но потому и возникла конвейерная обработка...

Под термином параллельная обработка мы будем понимать одновременное выполнение заданий, шагов (пунктов) заданий, программ, подпрограмм, циклов, операторов и команд. Параллельная обработка информации может применяться с двумя основными целями:

1. Повышение производительности ЭВМ и ВС не за счет совершенствования элементной базы, а за счет эффективной организации вычислительных процессов.

2. Обеспечение высокой надежности ВС за счет дублирования вычислительной аппаратуры.

Рис. 5.1. Уровни параллелизма

Повышение производительности ЭВМ и ВС – основная цель применения параллельной обработки, по этой причине параллельную архитектуру имеют такие ЭВМ, как многопроцессорные серверы, мэйнфреймы и супер-ЭВМ.

Параллельная обработка информации может производиться на нескольких уровнях (рис. 5.1).

Очевидно, что чем ниже уровень, тем мельче дробление программных процессов, тем мельче, как принято говорить, «зерно параллелизма ». В общем случае возможно реализовать параллелизм как на отдельном уровне, так и на нескольких одновременно. Независимая однопроцессорная обработка реализует параллелизм на уровне 1. Векторная обработка заключается в параллельном выполнении циклов на уровне 2 и может производиться как на одном, так и нескольких процессорах. Уровни 3 и 4 соответствуют многопроцессорным ВС. Параллелизм уровня 5 характерен для многомашинных вычислительных комплексов.

Существует два основных способа организации параллельной обработки:

· совмещение во времени этапов решения разных задач;

· одновременное решение различных задач или частей одной задачи;

Первый путь - совмещение во времени этапов решения разных задач - это мультипрограммная обработка информации. Мультипрограммная обработка уже давно и широко применяется для повышения производительности ЭВМ и ВС. Подробное рассмотрение мультипрограммной обработки относится к теме «Операционные системы» и выходит за рамки настоящего учебника.

Второй путь - одновременное решение различных за­дач или частей одной задачи - возможен только при наличии нескольких обрабатывающих устройств. При этом используются те или иные особенности задач или потоков задач, что позволяет осуществить распараллеливание.

Можно выделить следующие типы параллелизма, позво­ляющие реализовать алгоритмические особенности отдельных задач и их потоков.

1. Естественный параллелизм независимых задач.

2. Параллелизм объектов или данных.

3. Параллелизм ветвей задачи или программы.

Рассмотрим эти типы параллелизма.

1. Естественный параллелизм независимых задач зак­лючается в том, что на вход ВС поступает непрерывный поток не связанных между собой задач, т.е. решение лю­бой задачи не зависит от результатов решения других за­дач. В этом случае использование нескольких обрабатыва­ющих устройств при любом способе комплексирования (объ­единения в систему) повышает производительность систе­мы.

Характерным примером естественного параллелизма является поступление пользовательских запросов на информационный web-сайт. Каждый запрос порождает отдельную процедуру его исполнения, которая не зависит от других подобных процедур.

2. Параллелизм объектов или данных имеет место тогда, когда по одной и той же (или почти по одной и той же) программе должна обрабатываться некоторая сово­купность данных, поступающих в систему одновременно.

Это могут быть, например, задачи обработки сигна­лов от радиолокационной станции: все сигналы обрабаты­ваются по одной и той же программе. Другой пример - об­работка информации от датчиков, измеряющих одновременно один и тот же параметр и установленных на нескольких однотипных объектах.

Программы подобного типа могут быть различного объема и сложности, начиная от очень простых, содержа­щих несколько операций, до больших программ в сотни и тысячи операций. При этом параллельность выполнения операций достигается путем увеличения числа обрабатыва­ющих устройств, каждое из которых способно автономно выполнять последовательность команд над отдельной сово­купностью данных. Часто основной особенностью таких программ (в частности программ обработки векторов и матриц) является то, что одна и та же команда должна выполняться над большой совокупностью элементарных, связанных между собой некоторым образом данных, и соот­ветствующую операцию можно производить над всеми данны­ми одновременно. При этом время решения задачи сокраща­ется пропорционально числу обрабатывающих устройств.

3. Параллелизм ветвей задачи или прог­раммы - один из наиболее распространенных типов парал­лелизма в обработке информации. Он заключается в том, что при решении одной задачи могут быть выделены от­дельные ее части - ветви, которые при нали­чии нескольких обрабатывающих устройств могут выпол­няться параллельно. При этом одновременно могут обрабатываться только независимые ветви задачи, т.е. такие ее части, для которых соблюдаются сле­дующие условия:

· ни одна из выходных вели­чин этих ветвей задачи не является входной величиной для другой такой ветви (отсутствие функциональных связей);

· условия выполнения одной ветви не зависят от ре­зультатов или признаков, полученных при выполнении дру­гих ветвей (независимость по управлению).

Хорошее представление о параллелизме ветвей дает ярусно-параллельная форма(ЯПФ) програм­мы, пример которой приведен на рис. 5.2.

Программа представлена в виде совокупности ветвей, расположенных на нескольких уровнях - ярусах. Кружками с цифрами внут­ри обозначены ветви. Длина ветви представляется цифрой, стоящей около кружка и говорящей, сколько временных единиц выполняется данная ветвь. Стрелками показаны входные данные и результаты обработки. Входные данные обозначаются символом X, выходные данные - символом Y. Символы Х имеют нижние цифровые индексы, обозначающие номера входных величин; символы Y имеют цифровые индек­сы и внизу, и вверху; цифра вверху соответствует номеру ветви, при выполнении которой получен данный результат, а цифра внизу означает порядковый номер результата, по­лученного при реализации данной ветви программы. На одном ярусе размещаются независимые ветви задачи, не связанные друг с другом, т.е. результаты решения ка­кой-либо ветви данного яруса не являются входными дан­ными для другой ветви этого же яруса.

Рис. 5.2. Пример ярусно-параллельной формы программы

Изображенная на рис. 5.2 программа содержит 9 вет­вей, расположенных на 3 ярусах. На примере этой, в общем, достаточно простой прог­раммы, можно выявить преимущества вычислительной систе­мы, включающей несколько обрабатывающих устройств, и проблемы, которые при этом возникают.

Примем, что длина i -й ветви представляется числом временных единиц t i , которые требуются для ее исполнения. Тогда нетрудно подсчитать, что для исполнения всей программы на 1 процессоре потребуется время T 1 :

T 1 =S (10+20+15+30+55+10+15+25+15)=195

Если представить, что программа выполняется двумя обрабаты­вающими устройствами (процессорами), работающими неза­висимо друг от друга, то время решения задачи сокра­тится. Однако, это время, как нетрудно видеть, будет различным в зависимости от последовательности выполне­ния независимых ветвей.

Рассмотрим, например, такой вариант выполнения программы, представленной на рис. 5.2. Пусть процессор 1 выполняет ветви 1-3-4-6-7-9, а процессор 2 выпол­няет ветви 2-5-8. На рис. 5.3 представлены временные диаграммы выполнения процессорами ветвей программы.

Рис. 5.3. Разложение ветвей программы по 2 процессорам

Нетрудно подсчитать, что процессор 1 затрачивает 105, а процессор 2 - 100 единиц времени. При этом имеется два промежутка времени, когда один из процессоров вынужденно простаивает – П1 длительностью 10 единиц и П2 длительностью 5 единиц времени. Промежуток П1, во время которого работает только процессор 2, образовался из-за того, что ветвь 7 зависит от ветви 5 (к моменту завершения ветви 6 еще не готовы данные Y 5 1). Промежуток П1, во время которого работает только процессор 1, образовался по причине окончания счета процессором 2.

Таким образом, на системе из двух процессоров наша программа будет выполнена полностью не менее, чем за 105 единиц времени. Величину, характеризующую уменьшение времени решения задачи на нескольких процессорах по сравнению с использованием одного процессора, называют ускорением счета S и рассчитывают как

Коэффициент распараллеливанияизменяется от 0 до 1 (от 0 до 100%) и отражает эффективность использования вычислительных ресурсов. В нашем примере нетрудно посчитать, что ускорение S = 195/105 = 1,86, а коэффициент распараллеливания K п = 0,93. Как видим, по причине простоев одного из процессоров ускорение счета значительно меньше 2, т.е. количества используемых процессоров. Заметим, что в нашем примере не учитывались временные задержки, связанные с переключением контекстов программы (смены ветвей) и передачи данных от одной ветви к другой. Тем не менее, в силу алгоритмических особенностей программы, часть вычислений в промежутки П1 и П2 производится только одним процессором, т.е. фактически последовательно.

Рассмотрим обобщенный случай программы, в которой алгоритмически доля последовательных вычислений (отношение времени последовательных вычислений к общему времени счета программы) составляет некоторую величину f . В этом случае время выполнения программы на системе из p процессоров не может быть меньше величины

Данное соотношение носит название закона Амдала . На примере программы рис. 5.2 мы можем видеть, что доля последовательных вычислений составляет f = 15/195. Подставляя эту величину в формулу закона Амдала, получаем для системы из двух процессоров максимальное ускорение 1,86 раза, что соответствует ранее рассчитанному значению.

Для иллюстрации действия закона Амдала приведем следующий пример. Пусть доля последовательных вычислений в некоторой программе составляет 10%. Тогда максимальное ускорение счета на 100 процессорах не превысит 9,2. Коэффициент распараллеливания составит всего лишь 9,2%. На 10 процессорах ускорение составит 5,3, а коэффициент распараллеливания ‑ 53%. Нетрудно видеть, что даже такая небольшая доля последовательных вычислений уже на теоретическом уровне, без учета неизбежных задержек в реальной ВС, серьезно ограничивает возможности масштабирования программы.

Определим, какая должна быть максимальная доля f последовательных вычислений в программе, чтобы было возможно получить наперед заданное ускорение счета S с максимальным коэффициентом распараллеливания K п . Для этого выразим из закона Амдала долю последовательных вычислений:

Соотношение (5.6) определяет очень важное следствие из закона Амдала. Для того, чтобы ускорить программу в q раз, необходимо ускорить не менее, чем в q раз не менее, чем () -ю часть программы . Например, чтобы получить ускорение в 100 раз, необходимо распараллелить 99,99% всей программы.

Кроме алгоритмического распараллеливания, для того, чтобы с помощью нескольких обрабатывающих устройств решить задачу, имеющую параллельные ветви, необходима соответствующая организация процесса, которая определяет пути решения задачи и вырабатывает необходимую информацию о готов­ности каждой ветви. Однако все это относительно легко реализовать тогда, когда известна достаточно точно дли­тельность выполнения каждой ветви. На практике это бы­вает крайне редко: в лучшем случае имеется та или иная временная оценка. Поэтому организация оптимального или близкого к оптимальному графика работы является доста­точно сложной задачей.

Следует от­метить также и определенные сложности, связанные с вы­делением независимых ветвей при разработке программ. Вместе с тем при решении многих сложных задач только программирование с выделением независимых ветвей позво­ляет существенно сократить время решения. В частности, хорошо поддаются параллельной обработке такого типа за­дачи матричной алгебры, линейного программирования, спектральной обработки сигналов, прямые и обратные пре­образования Фурье и др.

В современной педагогике метод проектов используется не вместо систематического предметного обучения, а наряду с ним как компонент системы образования.

Работа по методу проектов, как замечает И.С.Сергеев, – это относительно высокий уровень сложности педагогической деятельности. Если большинство общеизвестных методов обучения требуют наличия лишь традиционных компонентов учебного процесса – учителя, ученика (или группы учеников) и учебного материала, который необходимо усвоить, требования к учебному проекту – совершенно особые.

1.Необходимо наличие социально значимой задачи (проблемы) – исследовательской, информационной, практической.

2.Выполнение проекта начинается с планирования действий по разрешению проблемы, иными словами – с проектирования самого проекта, в частности – с определения вида продукта и формы презентации.

Наиболее важной частью плана является пооперационная разработка проекта, в которой указан перечень конкретных действий с указанием выходов, сроков и ответственных.

3.Каждый проект обязательно требует исследовательской работы учащихся.

Таким образом, отличительная черта проектной деятельности – поиск информации, которая затем будет обработана, осмыслена и представлена участникам проектной группы.

4.Результатом работы над проектом, иначе говоря, выходом проекта, является продукт.

5.Подготовленный продукт должен быть представлен учителя и представлен достаточно убедительно, как наиболее приемлемое средство решения проблемы.

Таким образом, проект требует на завершающем этапе презентации своего продукта.

То есть проект – это “пять П”:

Проблема – Проектирование (планирование) – Поиск информации – Продукт – Презентация.

Шестое “П” проекта – его Портфолио, т.е. папка, в которой собраны все рабочие материалы проекта, в том числе черновики, дневные планы и отчеты и др.

Важное правило: каждый этап работы над проектом должен иметь свой конкретный продукт!

Учебный проект, как комплексный и многоцелевой метод, имеет большое количество видов и разновидностей. Чтобы разобраться в них, требуются, по крайней мере, три различные классификации . (Сергеев И.С.)

Начнем с самой основной, определяющей содержательную специфику каждого проекта.

Практико–ориентированный проект нацелен на социальные интересы самих участников проекта.

Продукт заранее определен и может быть использован в жизни класса, школы, микрорайона, города, государства.

Исследовательский проект по структуре напоминает подлинно научное исследование.

Он включает обоснование актуальности избранной темы, обозначение задач исследования, обязательное выдвижение гипотезы с последующей ее проверкой, обсуждение полученных результатов. При этом используются методы современной науки: лабораторный эксперимент, моделирование, социологический опрос и другие.

Информационный проект направлен на сбор информации о каком-то объекте, явлении с целью ее анализа, обобщения и представления для широкой аудитории.

Творческий проект предполагает максимально свободный и нетрадиционный подход к оформлению результатов. Это могут быть альманахи, театрализации, спортивные игры, произведения изобразительного или декоративно-прикладного искусства, видеофильмы и т.п.

Ролевой проект . Разработка и реализация такого проекта наиболее сложна. Участвуя в нем, проектанты берут на себя роли литературных или исторических персонажей, выдуманных героев и т.п. Результат проекта остается открытым до самого окончания.

По комплексности (иначе говоря, по предметно – содержательной области) можно выделить два типа проектов.

1) Монопроекты проводятся, как правило, в рамках одного предмета или одной области знания, хотя и могут использовать информацию из других областей знания и деятельности.

2) Межпредметные проекты выполняются исключительно во внеурочное время и под руководством нескольких специалистов в различных областях знания.

Проекты могут различаться и по характеру контактов между участниками . Они могут быть:

Внутриклассными;
- внутришкольными;
- региональными;
- межрегиональными;
- международными.

Последние два типа проектов (межрегиональные и международные), как правило, являются телекоммуникационными, поскольку требуют для координации деятельности участников взаимодействия в сети Интернет и, следовательно, ориентированы на использование средств современных компьютерных технологий.

Классификация проектов по продолжительности:

Мини – проекты могут укладываться в один урок или менее.

Краткосрочные проекты требуют выделения 4 – 6 уроков.

Уроки используются для координации деятельности участников проектных групп, тогда как основная работа по сбору информации, изготовлению продукта и подготовке презентации осуществляется во внеклассной деятельности и дома.

Недельные проекты выполняются в группах в ходе проектной недели.

Их выполнение занимает примерно 30 – 40 часов и целиком проходит при участии руководителя.

Годичные проекты могут выполняться как в группах, так и индивидуально. Весь годичный проект – от определения проблемы и темы до презентации выполняются во внеурочное время.

Как уже отмечалось, одним из важных этапов осуществления учебного проекта являетсяпрезентация. Выбор формы презентации проекта – задача не менее, а то и более сложная, чем выбор формы продукта проектной деятельности. Набор “типичных” форм презентации, вообще говоря, весьма ограничен, а потому здесь требуется особый полет фантазии (в сочетании с обязательным учетом индивидуальных интересов и способностей проектантов – артистических, художественных, конструкторско-технических, организационных и т.п.)

Виды презентационных проектов могут быть различными, например:

Воплощение (в роль человека, одушевленного или неодушевленного существа).
- Деловая игра.
- Демонстрация видеофильма – продукта, выполненного на основе информационных технологий.
- Диалог исторических или литературных персонажей.
- Защита на Ученом Совете.
- Игра с залом.
- Иллюстративное сопоставление фактов, документов, событий, эпох, цивилизаций…
- Инсценировка реального или вымышленного исторического события.
- Научная конференция.
- Отчет исследовательской экспедиции.
- Пресс-конференция.
- Путешествие.
- Реклама.
- Ролевая игра.
- Соревнования.
- Спектакль.
- Спортивная игра.
- Телепередача.
- Экскурсия.

В самой презентации заложен большой учебно-воспитательный эффект, обусловленный самим методом: дети учатся аргументировано излагать свои мысли, идеи, анализировать свою деятельность, предъявляя результаты рефлексии, анализа групповой и индивидуальной самостоятельной работы, вклада каждого участника проекта. Очень важно, чтобы дети рассказали, как именно они работали над проектом. При этом демонстрируется и наглядный материал, изготовлению которого была посвящена значительная часть времени, показывается результат практической реализации и воплощения приобретенных знаний и умений. То, что готовят дети для наглядной демонстрации своих результатов, названное нами продуктом работы над проектом, требует использования определенных знаний и умений по технологии его изготовления. Вид продукта определяет форму проведения презентации.

Педагогической целью проведения презентации является выработка и/или развитие презентативных умений и навыков . К ним относятся умения:

Кратко, достаточно полно и лаконично (укладываясь в 10-12 минут) рассказать о постановке и решении задачи проекта;
- демонстрировать понимание проблемы проекта, собственную формулировку цели и задач проекта, выбранный путь решения;
- анализировать ход поиска решения для аргументации выбора способа решения;
- демонстрировать найденное решение;
- анализировать влияние различных факторов на ход работы над проектом;
- проводить самоанализ успешности и результативности решения проблемы, адекватности уровня постановки проблемы тем средствам, с помощью которых отыскивать решение.

Таким образом, по определению Н.Ю.Пахомовой

Учебный проект с точки зрения учащегося – это возможность делать что-то интересное самостоятельно, в группе или самому, максимально используя свои возможности; это деятельность, позволяющая проявить себя, попробовать свои силы, приложить свои знания, принести пользу и показать публично достигнутый результат; это деятельность, направленная на решение интересной проблемы, сформулированной самими учащимися в виде цели и задачи, когда результат этой деятельности – найденный способ решения проблемы – носит практический характер, имеет важное прикладное значение и, что весьма важно, интересен и значим для самих открывателей.

Учебный проект с точки зрения учителя – это дидактическое средство, позволяющее обучать проектированию, т.е. целенаправленной деятельности по нахождению способа решения проблемы путем решения задач, вытекающих из этой проблемы при рассмотрении ее в определенной ситуации.

Итак, это задание для учащихся, сформулированное в виде проблемы, и их целенаправленная деятельность, и форма организации взаимодействия, учащихся с учителем и учащихся между собой, и результат деятельности как найденный ими способ решения проблемы проекта.

Вместе с тем хочется отметить, что нельзя не согласиться с мнением отечественных и зарубежных педагогов и психологов, согласно которому “проектное обучение не должно вытеснять классно-урочную систему и становиться некоторой панацеей, его следует использовать как дополнение к другим “видам прямого или косвенного обучения”. И, как показывает опыт работы педагогов, метод творческих проектов наряду с другими активными методами обучения может эффективно применяться уже в начальных классах. При этом учебный процесс по методу проектов существенно отличается от традиционного обучения.

«Образовательный проект – это форма организации занятий, предусматривающая комплексных характер деятельности всех его участников по получению образовательной продукции за определенный промежуток времени» (Хуторской).

Основные требования к проекту

1. Необходимо наличие социально значимой задачи (проблемы) - исследовательской, информационной, практической.

Дальнейшая работа над проектом - это разрешение данной проблемы. В идеальном случае проблема обозначена перед проектной группой внешним заказчиком. Однако в роли заказчика может выступать и сам преподаватель (проект по подготовке методических пособий для кабинета биологии), и сами студенты (проект, нацеленный на разработку и проведение праздника).

Поиск социально значимой проблемы - одна из наиболее трудных организационных задач, которую приходится решать педагогу-руководителю проекта вместе со студентами- проектантами.

2. Выполнение проекта начинается с планирования действий по разрешению проблемы , иными словами - с проектирования самого проекта, в частности - с определения вида продукта и формы презентации.

Наиболее важной частью плана является пооперационная разработка проекта, в которой указан перечень конкретных действий с указанием выходов, сроков и ответственных. Но некоторые проекты (творческие, ролевые) не могут быть сразу четко спланированы от начала до самого конца.

3. Каждый проект обязательно требует исследовательской работы учащихся.

Таким образом, отличительная черта проектной деятельности - поиск информации, которая затем будет обработана, осмыслена и представлена участниками проектной группы.

4. Результатом работы над проектом, иначе говоря, выходом проекта, является продукт. В общем виде это средство, которое разработали участники проектной группы для разрешения поставленной проблемы.

5. Подготовленный продукт должен быть представлен заказчику и (или) представителям общественности , и представлен достаточно убедительно, как наиболее приемлемое средство решения проблемы.

То есть проект - это «шесть П» :

Проблема - Проектирование (планирование) - Поиск информации - Продукт - Презентация - Портфолио.

Важное правило: каждый этап работы над проектом должен иметь свой конкретный продукт!

Алгоритм работы над проектом

Этапы	Задачи	Деятельность студентов	Деятельность педагога
1 . Подготовка	Определение темы, целей, исходного положения. Выбор рабочей группы.	Собирают информацию. Получают при необходимости дополнительную информацию. Обсуждают задание.	Мотивирует студентов. Объясняет цели проекта. Помогает в постановке целей. Наблюдает.
2. Планиро- вание	Анализ проблемы. Определение источников, способов сбора информации. Постановка задач и выбор критериев оценки результатов. Распределение ролей в команде.	Формируют задачи. Уточняют информацию (источники). Вырабатывают план действий.	Помогает в анализе и синтезе (по просьбе). Предлагает идеи (при необходимости). Наблюдает.
3. Принятие решения	Сбор и уточнение информации. Обсуждение альтернатив. Выбор оптимального варианта. Уточнение планов деятельности.	Работают с информацией. Проводят синтез и анализ идей. Выполняют исследование.	Наблюдает. Консультирует
4. Выполне-ние	Работа над проектом. Оформление	Выполняют исследование и работают над проектом. Оформляют проект.	Наблюдает. Советует (по просьбе). Косвенно руководит деятельностью.
5. Защита проекта.	Подготовка доклада; обоснование проектирования, объяснение полученных результатов. Коллективная защита проекта. Оценка.	Защищают проект. Участвуют в коллективной оценке результатов проекта.	Слушает, задает целесообразные вопросы в роли рядового участника.
6. Оценка результатов	Анализ выполнения проекта, достигнутых результатов (успехов и неудач). Анализ достижения поставленной цели.	Участвуют в коллективном самоанализе проекта и самооценке.	Оценивает усилия, креативность, неисполь-зованные возможности, потенциал продолжения проекта. Направляет процесс анализа.

Организация работы над проектом складывается из шести этапов.

Этап 1-й , поиск или формулирование проблемы, которую необходимо решить. Источниками проблемы могут быть:

Экскурсия на предприятие и анализ его деятельности, определение нерешенных проблем;

Изложение преподавателем конкретной социальной, производственной ситуации, в которой выявляется проблема;

Конкретная задача совершенствования учебного процесса (разработка методических и дидактических средств, пособий, рекомендаций, материалов для самостоятельной работы студентов, видеофильмов по отдельным вопросам и темам курса);

Заказ производственного предприятия на разработку определенной проблемы;

Недостаточная разработанность определенной научной проблемы, необходимой для решения практических задач.

Основная задача преподавателя на данном этапе - вывести студентов на осознание проблемы, создать мотивацию к ее решению и получению конкретного результата - продукта учебного проектирования.

Организация творческих групп для работы над проектом, осуществляется в условиях парного и группового проектирования. Выбор должен быть добровольным или альтернативным - один из предлагаемых проектов. Создаются творческие группы разного характера в зависимости от вида проекта (творческие лаборатории, творческие мастерские, конструкторские бюро и т.д.).

Этап 2-й, планирование работы над проектом. На данном этапе

определяются:

Возможные источники информации;

Способы сбора и анализа информации;

Способы представления результатов (отчет, конкретный продукт и т. д.);

Критерии оценки продукта;

Обязанности участников творческой группы.

Этап 3-й, поиск и сбор информации. На этом этапе организуется исследовательская деятельность студентов в соответствии с планом. Основное требование - наличие разнообразных источников информации, использование различных методов ее получения (изучение литературы, анкеты, интервью, опросы, наблюдения, чтение и анализ средств массовой информации, эксперимент и т.д.).

Этап 4-й, анализ информации. На этом этапе осуществляется совместное обсуждение полученных исходных материалов, разработка проекта.

Этап 5-й, оформление и представление (защита) проекта. Способы оформления результатов учебного проектирования зависят от его вида и могут быть разными: письменный отчет, издание практических рекомендаций (компьютерный вариант), видеофильм, изготовление макета, технического устройства и т.д. Отчет о работе представляется на занятии в группе, может быть также устроена открытая защита проекта с приглашением специалистов-практиков, заказчиков.

Этап 6-й, анализ и оценка результатов работы над проектом. Данный этап обязательно должен включать в себя:

1. групповую рефлексию авторов проекта;
2. анализ и оценку проекта другими студентами, преподавателями, экспертами.

Основные правила по использованию метода проектов:

Не следует упрощать идею проекта, смешивать его с сообщениями, тезисами, рефератами; проект - это план, замысел, в результате которого авторы должны получить что-то новое: программу, модель, изделие, сценарий;

Метод проектов должен использоваться не вместо систематического предметного обучения, а как его органический компонент;

Необходимо обеспечение приоритетного базирования проектов на учебном предмете или на нескольких учебных предметах;

Определение тематики проектов должно вестись с учетом учебных ситуаций по конкретным дисциплинам;

Проекты должны обеспечивать возможность комплексного изучения различных тем дисциплин, вокруг которых мобилизуется и концентрируется внимание студентов;

Процесс выбора тем проектов, организация самостоятельной работы студентов и презентация результатов выполнения проектов должны управляться педагогами;

Тематика проектов, выбираемых или предлагаемых студентам, должна обеспечивать интегрирование знаний и умений из различных сфер знаний, техники, технологии и творческих областей предстоящей деятельности студентов.

ТИПОЛОГИЯ ПРОЕКТОВ

Вид проекта	Краткая характеристика процесса
По доминирующей деятельности студентов
Практико-ориентированные	Изготовление продукта, который можно использовать в жизни группы, техникума, города, семьи, отдельного человека. Нацелен на социальные интересы самих участников или внешних заказчиков.
Исследовательские	Выдвижение первоначальной гипотезы и проверка её с помощью методов современной науки: социологического опроса, наблюдения, эксперимента и т.д.
Информационные	Сбор, анализ и представление информации о каком-либо объекте, явлении в виде реферата, видеоролика, альбома, плаката и т.п.
Творческие	Разработка альманахов, игр, сценариев, коллажей, рисунков, выставок, музыкальных произведений. Максимально свободный подход к оформлению результатов.
Ролевые	Подготовка и разыгрывание спектакля, принятие на себя ролей различных персонажей.
По комплексности
Монопроекты	Проводятся в рамках одного предмета или области знания, хотя могут использовать информацию из других областей знаний.
Межпредметные	Выполняются во внеурочное время под руководством нескольких преподавателей.
По характеру контактов
Внутригрупповые, внутриколледжные, региональные, межрегиональные, международные.
По продолжительности
Мини - проекты	Укладываются в одно занятие
Краткосрочные	Требуют выделения 4 – 6 занятий
Недельные	Выполняются в ходе проектной недели
Годичные	Выполняется как в группах, так и индивидуально, во внеурочное время.

Выход проектной деятельности и ее оценка.

Формы продуктов проектной деятельности

Выбор формы продукта проектной деятельности - важная организационная задача участников проекта. От ее решения в значительной степени зависит, насколько выполнение проекта будет увлекательным, защита проекта - презентабельной и убедительной, а предложенные решения - полезными для решения выбранной социально значимой проблемы.

Иногда бывает, что вид продукта сразу обозначен в самой теме проекта. Но чаще всего выбор продукта - непростая творческая задача. Проект под названием: «Исследование влияния климата природных зон на растительный и животный мир» может завершиться защитой обыкновенного реферата, а может вылиться в увлекательную подготовку Атласа несуществующего материка.

Приведем перечень (далеко не полный!) возможных выходов проектной деятельности:

Анализ данных социологического опроса;

Атлас;

Атрибуты несуществующего государства;

Бизнес-план;

Видеофильм;

Видеоклип;

Выставка;

Газета;

Действующая фирма;

Журнал;

Законопроект;

Игра;

Карта;

Коллекция;

Макет;

Модель;

Мультимедийный продукт;

Оформление кабинета;

Письмо в...;

Праздник;

Публикация;

Путеводитель;

Серия иллюстраций;

Система студенческого самоуправления;

Сказка;

Справочник;

Сравнительно-сопоставительный анализ;

Статья;

Сценарий;

Учебное пособие;

Экскурсия.

Оформление проектной папки

Проектная папка (портфолио проекта) - один из обязательных выходов проекта, предъявляемых на защите (презентации) проекта.

Задача папки на защите - показать ход работы проектной группы. Кроме того, грамотно составленная проектная папка позволяет:

Четко организовать работу каждого участника проектной группы;

Стать удобным коллектором информации и справочником на протяжении работы над проектом;

Объективно оценить ход работы над завершенным проектом;

Судить о личных достижениях и росте каждого участника проекта на протяжении его выполнения;

Сэкономить время для поиска информации при проведении в дальнейшем других проектов, близких по теме.

В состав проектной папки (портфолио проекта) входят:

1) паспорт проекта;

2) планы выполнения проекта и отдельных его этапов;

3) промежуточные отчеты группы;

4) вся собранная информация по теме проекта, в том числе необходимые ксерокопии, и распечатки из Интернета;

5) результаты исследований и анализа;

6) записи всех идей, гипотез и решений;

7) отчеты о совещаниях группы, проведенных дискуссиях, «мозговых штурмах» и т. д.;

8) краткое описание всех проблем, с которыми приходится сталкиваться проектантам, и способов их преодоления;

9) эскизы, чертежи, наброски продукта;

10) материалы к презентации (сценарий);

11) другие рабочие материалы и черновики группы.

В наполнении проектной папки принимают участие все участники группы.

Записи студентов должны быть по возможности краткими, в форме небольших набросков и аннотаций.

В день презентации проектов оформленная папка сдается в жюри.

Виды презентаций проектов

Выбор формы презентации проекта - задача не менее, а то и более сложная, чем выбор формы продукта проектной деятельности. Набор «типичных» форм презентации, вообще говоря, весьма ограничен, а потому здесь требуется особый полет фантазии (в сочетании с обязательным учетом индивидуальных интересов и способностей проектантов - артистических, художественных, конструкторско-технических, организационных и т. д.).

Виды презентационных проектов могут быть различными, например:

Деловая игра.

Демонстрация видеофильма - продукта, выполненного на основе информационных технологий.

Диалог исторических или литературных персонажей.

Защита на Ученом Совете.

Иллюстрированное сопоставление фактов, документов, событий, эпох, цивилизаций...

Инсценировка реального или вымышленного исторического события.

Научная конференция.

Научный доклад.

Отчет исследовательской экспедиции.

Пресс-конференция.

Путешествие.

Ролевая игра.

Спортивная игра.

Экскурсия.

Система оценки проектных работ

Выработка системы оценки проектных работ требует предварительного ответа на следующие вопросы:

Предполагается ли включение самооценки участников проектных групп в общую оценку проекта?

Предполагается ли присуждение мест (I, II, III) или номинаций (за лучшее исследование, за лучшую презентацию и т. д.)?

Предполагается ли оценка проектов по предметным секциям (например, лингвистической, естественно-научной, гуманитарной), или «единым списком»?

Проблемными местами в оценке проектных работ обычно являются:

- предметная компетентность жюри (жюри должно обязательно включать специалистов по всем предметам, охватываемым проектами данной секции);

- все участники проектной работы приложили усилия, но не все получили места и номинации.

Критерии оценки должны быть выбраны исходя из принципов оптимальности по числу (не более 7-10).

Критерии должны оценивать качество не столько презентации, сколько проекта в целом. Итоговая оценка за проект выставляется с учетом текущих оценок на этапах осмысления проблемы, выдвижения идей и т.д.

Очевидно, что эти критерии должны быть известны всем проектантам задолго до защиты.

Приведем примерный перечень критериев:

1) самостоятельность работы над проектом;

2) актуальность и значимость темы;

3) полнота раскрытия темы;

4) оригинальность решения проблемы;

5) артистизм и выразительность выступления;

6) как раскрыто содержание проекта в презентации;

7) использование средств наглядности, технических средств;

8) ответы на вопросы.

Первые четыре критерия - оценка проекта, последние четыре (т. е. № 5-8) - оценка презентации.

Общеучебные умения и навыки,

формирующиеся в процессе проектной деятельности

1. Рефлексивные умения:

Умение осмыслить задачу, для решения которой недостаточно знаний;

Умение отвечать на вопрос: чему нужно научиться для решения поставленной задачи?

2. Поисковые (исследовательские) умения:

Умение самостоятельно генерировать идеи, т. е. изобретать способ действия, привлекая знания из различных областей;

Умение самостоятельно найти недостающую информацию в информационном поле;

Умение запросить недостающую информацию у эксперта (преподавателя, консультанта, специалиста);

Умение находить несколько вариантов решения проблемы;

Умение выдвигать гипотезы;

Умение устанавливать причинно-следственные связи.

3. Умения и навыки работы в сотрудничестве:

Умения коллективного планирования;

Умение взаимодействовать с любым партнером;

Умения взаимопомощи в группе в решении общих задач;

Навыки делового партнерского общения;

Умение находить и исправлять ошибки в работе других участников группы.

4. Менеджерские умения и навыки:

Умение проектировать процесс (изделие);

Умение планировать деятельность, время, ресурсы;

Умение принимать решения и прогнозировать их последствия;

Навыки анализа собственной деятельности (ее хода и промежуточных результатов).

5. Коммуникативные умения:

Умение инициировать учебное взаимодействие со взрослыми - вступать в диалог, задавать вопросы и т. д.;

Умение вести дискуссию;

Умение отстаивать свою точку зрения;

Умение находить компромисс, конструктивно обсуждать результаты и проблемы каждого этапа;

Навыки интервьюирования, устного опроса и т. д.

6. Презентационные умения и навыки:

Навыки монологической речи;

Умение уверенно держать себя во время выступления;

Артистические умения;

Умение использовать различные средства наглядности при выступлении;

1. умение отвечать на незапланированные вопросы.

Роль преподавателя

Проектная деятельность требует от педагога не столько объяснения «знания», сколько создания условий для расширения познавательных интересов студентов, и на этой базе - возможностей их самообразования в процессе практического применения знаний.

Именно поэтому преподаватель - руководитель проекта должен обладать высоким уровнем общей культуры, комплексом творческих способностей . Авторитет преподавателя базируется теперь на способности быть инициатором интересных начинаний.

Как именно педагогу предстоит создавать условия для развития студентов в ходе проектной деятельности?

Ответ на этот вопрос даст список ролей, которые предстоит «прожить» педагогу в ходе руководства проектом:

1) энтузиаст (повышает мотивацию учащихся, поддерживая, поощряя и студентов, направляя их в сторону достижения цели);

2) специалист (обладает знаниями и умениями в нескольких - не во всех! - областях);

3) консультант (организатор доступа к ресурсам, в т. ч. к другим специалистам);

4) руководитель (особенно в вопросах планирования времени);

5) «человек, который задает вопросы» (по Дж. Питту - тот, кто организует обсуждение способов преодоления возникающих трудностей путем косвенных, наводящих вопросов; тот, кто обнаруживает ошибки и вообще поддерживает обратную связь);

6) координатор всего группового процесса;

7) эксперт (дает четкий анализ результатов выполненного проекта).

Наиболее сложным является вопрос о степени самостоятельности учащихся, работающих над проектом. Какие из задач, стоящих перед проектной группой, должен решать учитель, какие - сами учащиеся, а какие разрешимы в их сотрудничестве? В этом плане нельзя отклонятся ни в одну сторону (брать все на себя), ни в другую (отдавать работу на откуп студентов).

Педагог перестает быть основным источником и контролером знаний, он становиться консультантом, организатором.

Может быть открытая координация проекта. Здесь важным является отказ от авторитарного руководства, работа в содружестве со студентами, сохраняя консультирующие функции, но, не навязывая свое решение. Со скрытой координацией (возможны, главным образом, в телекоммуникационных проектах): координатор выступает как полноправный участник проекта и не обнаруживает свой истинный статус преподавателя в период деятельности групп-участников. Свое влияние он осуществляет за счет лидерских и профессиональных качеств по критерию компетентности.

В целом при работе над проектом преподаватель:

• помогает студентам в поиске источников, способных помочь им работе над проектом;
• сам является источником информации;
• координирует весь процесс;
• поддерживает и поощряет студентов;
• поддерживает непрерывную обратную связь, чтобы способствовать продвижению студентов в работе над проектом.
• реализует деятельностный подход;
• обеспечивает личностно ориентированное профессиональное обучение;
• реализует требования принципа проблемного обучения;
• содействует формированию навыков самостоятельности в мыслительной, практической и волевой сферах;
• обучает взаимодействию в групповой деятельности;
• -формирует целенаправленность, толерантность, ответственность, инициативность и творческое саморазвитие;
• содействует связи теории с практикой;
• повышает мотивацию учения и труда;
• учит способам самостоятельного познания;
• формирует умения практического применения имеющихся знаний и умений;
• учит проектированию деятельности, проблематизации, целеполаганию, самоанализу и рефлексии, поиску надлежащей информации, выбору технологии изготовления продукта проектирования, проведению исследования, презентации процесса своей деятельности и результатов проектирования.

Приступая к организации проектной деятельности, преподаватель должен ответить на вопросы:

1. какая проблема вызовет интерес у студентов?
2. Сколько свободы дать студентам при принятии решений?
3. Какие результаты можно ожидать?
4. Сколько времени потребуется для выполнения проекта?
5. Какие материалы потребуются для выполнения проекта?
6. Какие знания будут необходимы?

Несмотря на то, что проектная методика предполагает самостоятельное решение проблемы студентами, весьма эффективны методические рекомендации или инструкции, в которых указывается необходимая и дополнительная литература для самообразования, требования педагога к качеству проекта, формы и методы количественной и качественной оценки результатов проектирования. Иногда можно выделить алгоритм проектирования или другое поэтапное разделение деятельности. Таким образом, создаётся информационно-методический пакет проекта.

Студент:

1. определяет цель своей деятельности;
2. открывает новые знания;
3. экспериментирует;
4. выбирает пути решения возникающих проблем;
5. несет ответственность за свою деятельность и т.д.