Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения
В.
В. СтепаньянБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Степаньян
В.
В.,
Алексеев
В.
П. Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2015. – № 6 (июнь). – С.
36–40. – URL:
http://e-koncept.ru/2015/15180.htm.
Аннотация. Статья посвящена вопросам решения проблемы виртуальности в инженерном образовании в условиях широкого применения информационных технологий. Применение компьютерного моделирования в учебном процессе позволяет существенно ускорить процесс обучения и уменьшить затраты на образование. Однако возникает проблема виртуальности полученных знаний, поскольку обучение происходит не на реальных физических объектах, а на их компьютерных моделях. Приводятся результаты анкетирования группы студентов с целью выявления уровня виртуальности их знаний. Предлагаются конкретные системные методы устранения виртуальности полученных знаний в процессе обучения.
Ключевые слова:
информационные технологии, образовательная система, анкетирование, инженерное образование, проблема виртуальности, компьютерные модели, тестовый эксперимент, бизнес инкубатор, групповое проектное обучение, фундаментальное образование
Текст статьи
Алексеев В. П., Степаньян В. В. Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения// Концепт. –2015. –№ 06(июнь).–ART15180. –0,5 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15180.htm.–ISSN 2304120X. 1
ART15180УДК 378.147:004.9
Алексеев Валерий Павлович,
кандидат технических наук, доцент НОУ ВПО «Международный инновационный университет», г. Сочиalekseev.valeri@yandex.ru
Степаньян Владимир Владимирович,студент экономикотехнологического факультета НОУ ВПО «Международный инновационный университет», г. Сочиstep.wo@mail.ru
Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения
Аннотация. Статья посвящена вопросам решения проблемы виртуальности в инженерном образовании в условиях широкого применения информационных технологий. Применение компьютерного моделирования в учебном процессе позволяет существенно ускорить процесс обучения и уменьшить затраты на образование. Однаковозникает проблема виртуальности полученных знаний, поскольку обучение происходит не на реальных физических объектах, а на их компьютерных моделях. Приводятся результаты анкетирования группы студентов с целью выявления уровня виртуальности их знаний. Предлагаются конкретные системные методы устранения виртуальности полученных знаний в процессе обучения.Ключевые слова:проблема виртуальности, инженерное образование, образовательная система, информационные технологии, компьютерные модели, анкетирование, фундаментальное образование, тестовый эксперимент, групповое проектное обучение, бизнесинкубатор.Раздел: (01)педагогика; история педагогики и образования; теория и методика обучения и воспитания (по предметным областям).
Суть проблемыВ связи с развитием средств моделирования на основе компьютерных и информационных технологий в инженерном образовании возник ряд направлений, которые базируются не на использовании физических моделей, подкрепленных физическим экспериментом, ана применении в учебном процессе программных продуктов, описывающих явления, эффекты, закономерности, синтезированные путем компьютерного моделирования. Такие лабораторные работы получили широкое распространение и часто называются «электронными». Если в традиционном физическом моделировании априорно известны принятые допущения, метод решения поставленной задачи и область адекватных результатов, то компьютерную модель характеризуют:внешняя привлекательность, выражающаяся в мнимой простоте ее использования;отсутствие однозначного влияния допущений на адекватность описания объекта; некоторая неопределённость результатов моделирования.При моделировании физических процессов, протекающих, например, в вычислительной технике, используются графические модели в виде схем и чертежей отдельных узлов и блоков, которые выводятся на монитор компьютера и позволяют отразить электрические, тепловые, электромагнитные и другие режимы по результатам моделирования. Значения параметров для этих режимов зависят от правильно заданной размерности введённых исходных данных и не соизмеряются с предельно допустимыми значениями. На Алексеев В. П., Степаньян В. В. Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения// Концепт. –2015. –№ 06(июнь).–ART15180. –0,5 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15180.htm.–ISSN 2304120X. 2
схеме, изображённой на мониторе, могут быть ошибки в соединениях, конструкция узла может быть не собираемой в реальности, не технологичной. Материалы, заложенные в конструкции, могут не выдерживать условия эксплуатации или подвергаться разрушению в ходе изготовления. Опытный специалист, обладающий фундаментальными и эмпирическими знаниями, в состоянии определить адекватность такой графической модели и привести её в соответствие с физическим объектом. Студент, только познающий основы моделирования и проектирования на основе изучения не объекта, а его модели, попадает в область виртуальности. Монитор компьютерабеспристрастно отражает то, что «выдаёт» компьютерная модель,и не способен скорректировать субъективные ошибки, являющиеся следствием недостаточных знаний о моделируемом объекте. В реальности недопустимая величина мощности, выделяемой на электрорадиоэлементе, высокая напряжённость электрического поля, чрезмерная механическая нагрузка приводят к отказу, а на мониторе с условно изображёнными элементами ничего не происходит. В такой электронной лабораторной работе обучаемый должен сам определить работоспособность моделируемого объекта, а если у него не хватает знаний и практического опыта, то он поневоле заблуждается в работоспособности изучаемого изделия.В результатена определенном этапе обучения происходит подмена реальных знаний о проектируемых объектах их моделями, обладающими различными степенями истинности, избыточности, недостаточности. Это приводит к виртуальности инженерного мышления, основанного не на истинном, а на условном знании об изучаемых объектах. Виртуальность, в свою очередь, способствует отходу от объективности знаний, причем субъективные знания о модели изучаемого объекта смешиваются с субъективностью ее автора. «Виртуальный» специалист на основе виртуальных знаний, приходя на реальное производство, долго будет генерировать виртуальные инженерные решения, непригодные для производства, особенно если эти знания закреплены у него на уровне аксиом. Проблема виртуальности, на наш взгляд, требует решения,основанного на синтезе конкретных методов по ее преодолению, с привлечением дидактических и методических приемов, характерных не только для инженерного образования, но для педагогики высшей школы в целом. Актуальность этой проблемы возрастает с каждым годом, поскольку повсеместно в образование внедряются информационные технологии с новыми программными продуктами для моделирования самых разнообразных процессов, имеющие определённые допущения и ограничения в практическом применении.Анализ состояния виртуальности знаний студентов на примере экономикотехнологическогофакультетаНами проведены исследования виртуальности знаний студентов по некоторымчасто используемым компьютерным программным продуктам, которые применяются при изучении общетехнических и специальных дисциплин экономикотехнологическогофакультета по направлениям «Информатика и вычислительная техника» и «Технология транспортных процессов». К таким программным продуктам можно отнести:текстовые и графические редакторы (MicrosoftWord, CorelDraw);прикладные программы математических и инженерных расчетов (MathCAD, MatLab);программы схемотехнического анализа электрических цепей (OrCAD, MicroCAP);программы конструкторскотехнологического проектирования (PCAD, AccelEDA);программы подготовки и выпуска конструкторской документации (AutoCAD, «Компас»).Если задаться целью определить достоверностьрезультатов в экспериментальном анкетном опросе P= 0,95, то минимальное число опрощенных студентов должно быть [1]:.Алексеев В. П., Степаньян В. В. Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения// Концепт. –2015. –№ 06(июнь).–ART15180. –0,5 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15180.htm.–ISSN 2304120X. 3
Нами было опрошено 39 студентов в пределах каждого программного продукта. Типовые вопросы, заданные студентам, были:для чего предназначен продукт?каковы ограничения или допущения, заложенные в данный продукт?для чего еще кроме основной цели примененияможно использовать данный продукт?какие математические модели используются в данном продукте?какие физические процессы описывает данный программный продукт?Результаты анкетного опроса сведены в таблицу.
Результаты анкетного опроса
Наименование программного продуктаЧисло правильных ответов, %Число неправильных ответов, %Microsoft WordCorelDraw!MathCADMatLabOrCADMicroCAPPCADAccel EDAAutoCAD«Компас»9079923323729231923810218677728869862
Таким образом, в среднем 64% опрошенных студентов правильно оценивают адекватность используемых пакетов программных продуктов и 36% находятся в области виртуальности. В качестве тестовогоэксперимента 39студентам было предложено сопоставить электрические схемы четырех простейших фильтров и их амплитудночастотные характеристики, после чего указать правильные пары ответов.46% студентов правильно указали пары ответов, 15%–неправильно и 39%указали две пары правильных ответов из четырех. Отсюда следует, что должны быть приняты меры к преодолению виртуальности в инженерном образовании и к повышению качества обучения в условиях широкого применения информационных технологий в учебном процессе.Дидактические методы решения проблемы виртуальности обученияВ течение ряда последних лет нами проводилась интенсивная научнопрактическая деятельность по созданию системных методов решения проблемы виртуальности на всех этапах и уровнях обучения по указанным выше направлениям подготовки бакалавров и магистров. К ним относятся:усиление фундаментальной подготовки по дисциплинам физикоматематического цикла;введение в программу лабораторных работ наряду с исследованием компьютерных моделей тестового физического эксперимента для подтверждения адекватности результатов моделирования;адаптация программ производственных практик к задачам преодоления виртуальности знаний, полученных в ходе теоретического обучения;внедрение в учебный процесс методологии группового проектного обучения (ГПО) по реальным заказам предприятий;привлечение студентов старших курсов к практической деятельности в рамках НИИ при вузе и в бизнесинкубаторе, входящих в учебнонаучный комплекс университета; Алексеев В. П., Степаньян В. В. Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения// Концепт. –2015. –№ 06(июнь).–ART15180. –0,5 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15180.htm.–ISSN 2304120X. 4
организация выполнения выпускной квалификационной работы (ВКР) по реальным проектам, выполняемым в вузе и на базовых предприятиях с внедрением результатов и демонстрацией на защите макетных и опытных образцов.Рассмотримуказанные методы подробнее.Усиление фундаментальной подготовки по дисциплинам физикоматематического циклаУглублённая фундаментальная подготовка технических специалистов является основой для широкого внедрения моделирования без опасения попасть в процессе обучения в область виртуальности знаний обучающихся. Только глубокие знания физических процессов, явлений, закономерностей в технических изделиях, окружающих нас, позволяют правильно оценить степень адекватности моделей, применяемых при изучении и проектировании новой техники. Всестороннее знание физического принципа действия (ФПД), конструктивной функциональной структуры (КФС), главной, основных, второстепенных и вредных функций изделия [2] дают возможность провести правильный анализ результатов его моделирования и работоспособность предложенного варианта конструктивного исполнения. При изучении естественнонаучных, общетехнических и профессиональных дисциплин особое внимание нужно уделять физическому смыслу процессов, протекающих в изучаемых изделиях, а также типовым физикоматематическим моделям, используемым в пакетах прикладных программ (ППП) для моделирования этих изделий. При изучении этих моделей необходимо тщательно изучить допущения, используемые при моделировании,и область адекватности ППП. Кроме того, важно знать погрешность расчётов при моделировании и количественные характеристики материалов, применяемых в изделиях. У студентов должно быть сформировано убеждение, что если в модель подставить неправильные исходные данные в виде физикохимических параметров и констант, то результаты моделирования будут далеки от действительности, хотя какието числа будут получены. Иногда, прежде чем моделировать новые изделия или процессы, предстоит провести цикл исследовательских работ по определению характеристик новых материалов, используемых в этих изделиях. В этом случае может потребоваться разработка совершенно новых методик определения этих характеристик, разработка или приобретение новых измерительных средств.Введение в программу лабораторных работ наряду с исследованием компьютерных моделей тестового физического эксперимента для подтверждения адекватности результатов моделированияПроблема виртуальности внесла новые требования к современному материальному оснащению лабораторий для проведения лабораторных практикумов. Теперь типовая лабораторная работа при использовании компьютерных моделей для изучения различных процессов должна содержать модуль физического эксперимента, который называется тестовым. Цель тестового эксперимента –подтвердить адекватность результатов, полученных при исследовании модели. Модуль физического тестового эксперимента требует меньших временных и материальных затрат, он проще по методике измерений, ноон позволяет подтвердить адекватность используемой компьютерной модели в зоне, принадлежащей области применения модели,и убедить исследователя в правомерности его действий по исследованию объекта. Особенно эффективным для преодоления виртуальности знаний, полученных в ходе выполнения лабораторных работ, является тестовый эксперимент в случае применения линейных моделей или типовых нелинейных. В этом случае попадание результата измерения в зону предположительно известной зависимости прямо доказывает адекватность модели.Алексеев В. П., Степаньян В. В. Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения// Концепт. –2015. –№ 06(июнь).–ART15180. –0,5 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15180.htm.–ISSN 2304120X. 5
Заметим, что одновременное применение физического тестового эксперимента и моделирования в лабораторных работах повышает наглядность обучения и стимулирует развитие моделирования в проектировании. В практике инженерной деятельности моделирование существенно сокращает сроки разработки и внедрения новой техники и уменьшает затраты на проектирование. Этот вывод является правомерным, если решена проблема виртуальности обучения.Адаптация программ производственных практик к задачам преодоления виртуальности знаний, полученныхв ходе теоретического обученияОсновной задачейпроизводственных практик различного вида является знакомство с реальными условиями производства новых технических изделий, с методами их испытаний, особенностями проектирования и с экономическими особенностями предприятий. Практика играет большую роль в преодолении виртуальности обучения, поскольку даёт возможность студентам наглядно ознакомиться с особенностями технологических процессов, технологичностью конструкции, ролью стандартизации в проектировании и производстве новых изделий. Особый эффект в этом направлении даёт работа студента на конкретном рабочем месте. Для решенияпроблемы виртуальности в ходе прохождения практики нами предлагается в задании на практику отражать изучение ФПД, КФС, функций изделий, производимых на предприятии, маршрутных и операционных технологических карт по изготовлению и сборке изделия, режимы обработки материалов и т.п.Это позволяет в дальнейшем правильно задавать начальные и граничные условия при моделировании, понимать и оценивать технические решения в ходе курсового и дипломного проектирования.Внедрение в учебный процесс методологии группового проектного обучения (ГПО) по реальным заказам предприятийПодробно методология ГПО описана в [3].Этот комплексный метод инженерного образования существенно сокращает сроки адаптации выпускников технических вузов к современным условиям проектирования и производства новых изделий. Нами накоплен восьмилетний опыт внедрения ГПО в учебный процесс. ГПО целесообразно применятьначиная с IIIкурса обучения на конкурсной основе. В группы ГПО отбирается до 30% от состава студентов из числа наиболее талантливых и успешных по результатам обучения. Обязательно учитывается желание студента участвовать в ГПО. Индивидуальные группы студентов в рамкахГПО состоят из 3–4 человек, каждой группе выдаётся проектное задание на реальную тему по заказам базовых предприятий, на которых студенты проходили практику. Занятия групп проходят в рамках расписания один раз в неделю целый учебный день в специально оборудованных аудиториях, оснащённых компьютерными средствами проектирования и лабораторным измерительным оборудованием для макетирования и испытаний. Как правило, в индивидуальной группе студентов назначается главный конструктор, теоретик, технолог. Занятия врамках ГПО содержат и теоретическийкомпонентв соответствии с индивидуальным учебным планом группы. Студенты групп ГПО могут дополнительно заниматься в рамках СКБ, лабораторий, НИИ при кафедрах и факультетах. Вся работа занимает двасеместра, в каждую экзаменационную сессию каждая индивидуальная группа защищает промежуточный или окончательный проект перед комиссией, в которую входят заказчики –представители предприятий и научные руководители ГПО. Комиссия выставляет оценки и рекомендует проекты к дальнейшей разработке. Для материального стимулирования учебной деятельности в рамках ГПО участники проектных групп получают доплату к стипендии из внебюджетных средств кафедр, средств, выделяемых заказчиками проектов или из стипендиального фонда. Студенты, успешно защитившие проекты, могут участвоватьв конкурсе проектов для бизнесинкубатора или продолжить Алексеев В. П., Степаньян В. В. Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения// Концепт. –2015. –№ 06(июнь).–ART15180. –0,5 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15180.htm.–ISSN 2304120X. 6
работу над проектами на предприятии заказчика в период преддипломной практики и выполнения ВКР. При этом решается задача трудоустройства молодых специалистов.Анализ успешности развития личности студентов –участников ГПО показывает, что у них проблема виртуальности знаний решается полностью при условии применения на младших курсах вышеизложенных дидактических методов.Привлечение студентов старших курсов к практической деятельности в рамках НИИ при вузе и в бизнесинкубаторе, входящемв учебнонаучный комплекс университетаПо нашему глубокому убеждению, на каждой технической кафедре должна быть хотя бы одна научная лаборатория, студенческое конструкторское бюро (СКБ), лаборатория ГПО, а в вузе должен быть бизнесинкубатор для развития инновационной деятельности. Бизнесинкубатор в нашем случае –это часть учебного корпуса, оборудованная специализированными помещениями с числом компьютерных рабочих местравных числу членов рабочей группы, оргтехникой, высокоскоростным Интернетом, которые предоставляются рабочей группе бесплатно за счёт университета на время, определяемое договором. Отбор членов рабочих групп осуществляется на конкурсной основе, как правило,из числа групп ГПО, защитивших свои проекты. Максимальное время работы одной группы составляет 3 года –последний год обучения на бакалавриате и 2 года обучения в магистратуре. За это время проект рабочей группы должен быть доведён до высокой степени готовности к внедрению на малом предприятии, организованном членами рабочей группы, на предприятии заказчика или в техниковнедренческой зоне региона. Для отработки технологичности проектных решений в техническом вуземожет функционировать технологический бизнесинкубатор, содержащий современный парк станков и оборудования для изготовления опытных образцов изделий. В технологическом бизнесинкубаторе окончательно «отсеиваются» виртуальные и нетехнологичные решения, являющиеся следствием «детских болезней» разработанных конструкций. Финансирование деятельности бизнесинкубаторов осуществляется за счёт накладных расходов от выполнения научноисследовательских и опытноконструкторских работ, грантов, хоздоговорных работ и других внебюджетных источников доходов вуза.Организация выполнения выпускной квалификационной работы (ВКР) по реальным проектам, выполняемым в вузеи на базовых предприятиях с внедрением результатов и демонстрацией на защите макетных и опытных образцовРассмотренные выше дидактические методы решения проблемы виртуальности практически обеспечивают условия для высокого уровня организации выполнения ВКР с использованиемсистемной технологии, разработанной нами и рассмотренной в [4]. Основной особенностью этой технологии является гарантированная степень новизны объектов проектирования, обусловленная критикой аналогов и прототипа, а также применением современных методов научнотехнического творчества. Наличие современной производственной базы в технологическом бизнесинкубаторе позволяет вузу не зависеть от условий производства заказчиков проектных работ в части изготовления макетных и опытных образцов изделий, разрабатываемых в рамках дипломного проектирования. Защита ВКР, сопровождаемая демонстрацией изделия, разработанного выпускником и изготовленного по документации, разработанной им, всегда вызывает повышенный интерес со стороны членов Государственной экзаменационной комиссии и присутствующих. Нами предложена традиция оставлять действующие образцы изделий на кафедре в лаборатории ГПО, ав дальнейшем–в музее кафедры для использования в учебном процессе в качестве наглядных пособий. Таким образом, следующие поколения студентов обучаются на изделиях, разработанных их предшественниками.Алексеев В. П., Степаньян В. В. Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения// Концепт. –2015. –№ 06(июнь).–ART15180. –0,5 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15180.htm.–ISSN 2304120X. 7
Выводы1.Сформулирована актуальная проблема виртуальности инженерного образования, возникающая при широком использовании информационных технологий и компьютерного моделирования в учебном процессе.2.Предложена и апробирована модель развития технического вуза на основе дидактических и организационных методов преодоления виртуальности образования.3.Рассмотрены основы организации группового проектного обучения в техническом вузеи способы взаимодействия его с бизнесинкубаторами.
Ссылки на источники1.Алексеев В.П., Озёркин Д.В. Основы научных исследований и патентоведение: учеб.пособие. –Томск: Издво ИОА СО РАН, 2003. –180 с.2.Алексеев В.П., Озёркин Д.В. Системный анализ и методы научнотехнического творчества: учеб.пособие. –Томск: Издво ИОА СО РАН, 2003. –304 с.3.Московченко А.Д., Алексеев В.П.Методологические и методические основы формирования групп проектного обучения: монография.–Томск: Издво Томск. гос. унта систем управления и радиоэлектроники, 2010.–134 с. 4.Степаньян В. В., Алексеев В. П. Системная технология выполнения выпускных квалификационных работ технического профиля // Концепт. –2014. –№ 09 (сентябрь).–URL: http://ekoncept.ru/2014/14228.htm. –ISSN2304120X.
Valery Alexeev,Candidate of Engineering Sciences,Associate Professor, International Innovative University, Sochialekseev.valeri@yandex.ruVladimir Stepanian,Student,EconomicsandTechnologyDepartment, International Innovative University, Sochistep.wo@mail.ruVirtual problem in engineering education and its solutions for increase of quality of educationAbstract.The paper isdevoted the problem of virtuality in engineering education in the widespread use of information technologies. The use of computer simulation in educational process allows speeding up the learning process and reducingthe cost of education. However, the problem of virtuality of acquired knowledgeappears since learning is notheld onreal physical objects, but ontheir computer models. The survey among students aimsto show virtuality level of theirknowledge. The authors offers specific system solutionsofvirtuality of acquired knowledge inlearning process.Keywords:virtuality problem, engineering education, educational system, information technology, computer model,questionnaire, fundamental education, test experiment, group projecttraining, business incubator.References1.Alekseev, V. P. &Ozjorkin,D. V. (2003) Osnovy nauchnyh issledovanij i patentovedenie: ucheb. posobie,Izdvo IOA SO RAN, Tomsk,180 p.(in Russian)2.Alekseev, V. P. &Ozjorkin,D. V. (2003) Sistemnyj analiz i metody nauchnotehnicheskogo tvorchestva: ucheb. posobie,Izdvo IOA SO RAN, Tomsk,304 p.(in Russian).4.Moskovchenko, A. D. &Alekseev,V. P. (2010) Metodologicheskie i metodicheskie osnovy formirovanija grupp proektnogo obuchenija:monografija,Izdvo Tomsk. gos. unta sistem upravlenija i radiojelektroniki, Tomsk,134 p. (in Russian).5.Stepan'jan, V. V. &Alekseev,V. P. (2014)Sistemnaja tehnologija vypolnenija vypusknyh kvalifikacionnyhrabot tehnicheskogo profilja”,Koncept,№ 09 (sentjabr').Available at: http://ekoncept.ru/2014/14228.htm,ISSN 2304120X(in Russian).
Рекомендованокпубликации:
Горевым П. М., кандидатом педагогических наук, главным редактором журнала «Концепт»
Поступила в редакциюReceived23.03.15Получена положительная рецензияReceived a positive review26.03.15ПринятакпубликацииAccepted for publication26.03.15ОпубликованаPublished27.06.15
© Концепт, научнометодический электронный журнал, 2015©Алексеев В. П., Степаньян В. В., 2015www.ekoncept.ru
ART15180УДК 378.147:004.9
Алексеев Валерий Павлович,
кандидат технических наук, доцент НОУ ВПО «Международный инновационный университет», г. Сочиalekseev.valeri@yandex.ru
Степаньян Владимир Владимирович,студент экономикотехнологического факультета НОУ ВПО «Международный инновационный университет», г. Сочиstep.wo@mail.ru
Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения
Аннотация. Статья посвящена вопросам решения проблемы виртуальности в инженерном образовании в условиях широкого применения информационных технологий. Применение компьютерного моделирования в учебном процессе позволяет существенно ускорить процесс обучения и уменьшить затраты на образование. Однаковозникает проблема виртуальности полученных знаний, поскольку обучение происходит не на реальных физических объектах, а на их компьютерных моделях. Приводятся результаты анкетирования группы студентов с целью выявления уровня виртуальности их знаний. Предлагаются конкретные системные методы устранения виртуальности полученных знаний в процессе обучения.Ключевые слова:проблема виртуальности, инженерное образование, образовательная система, информационные технологии, компьютерные модели, анкетирование, фундаментальное образование, тестовый эксперимент, групповое проектное обучение, бизнесинкубатор.Раздел: (01)педагогика; история педагогики и образования; теория и методика обучения и воспитания (по предметным областям).
Суть проблемыВ связи с развитием средств моделирования на основе компьютерных и информационных технологий в инженерном образовании возник ряд направлений, которые базируются не на использовании физических моделей, подкрепленных физическим экспериментом, ана применении в учебном процессе программных продуктов, описывающих явления, эффекты, закономерности, синтезированные путем компьютерного моделирования. Такие лабораторные работы получили широкое распространение и часто называются «электронными». Если в традиционном физическом моделировании априорно известны принятые допущения, метод решения поставленной задачи и область адекватных результатов, то компьютерную модель характеризуют:внешняя привлекательность, выражающаяся в мнимой простоте ее использования;отсутствие однозначного влияния допущений на адекватность описания объекта; некоторая неопределённость результатов моделирования.При моделировании физических процессов, протекающих, например, в вычислительной технике, используются графические модели в виде схем и чертежей отдельных узлов и блоков, которые выводятся на монитор компьютера и позволяют отразить электрические, тепловые, электромагнитные и другие режимы по результатам моделирования. Значения параметров для этих режимов зависят от правильно заданной размерности введённых исходных данных и не соизмеряются с предельно допустимыми значениями. На Алексеев В. П., Степаньян В. В. Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения// Концепт. –2015. –№ 06(июнь).–ART15180. –0,5 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15180.htm.–ISSN 2304120X. 2
схеме, изображённой на мониторе, могут быть ошибки в соединениях, конструкция узла может быть не собираемой в реальности, не технологичной. Материалы, заложенные в конструкции, могут не выдерживать условия эксплуатации или подвергаться разрушению в ходе изготовления. Опытный специалист, обладающий фундаментальными и эмпирическими знаниями, в состоянии определить адекватность такой графической модели и привести её в соответствие с физическим объектом. Студент, только познающий основы моделирования и проектирования на основе изучения не объекта, а его модели, попадает в область виртуальности. Монитор компьютерабеспристрастно отражает то, что «выдаёт» компьютерная модель,и не способен скорректировать субъективные ошибки, являющиеся следствием недостаточных знаний о моделируемом объекте. В реальности недопустимая величина мощности, выделяемой на электрорадиоэлементе, высокая напряжённость электрического поля, чрезмерная механическая нагрузка приводят к отказу, а на мониторе с условно изображёнными элементами ничего не происходит. В такой электронной лабораторной работе обучаемый должен сам определить работоспособность моделируемого объекта, а если у него не хватает знаний и практического опыта, то он поневоле заблуждается в работоспособности изучаемого изделия.В результатена определенном этапе обучения происходит подмена реальных знаний о проектируемых объектах их моделями, обладающими различными степенями истинности, избыточности, недостаточности. Это приводит к виртуальности инженерного мышления, основанного не на истинном, а на условном знании об изучаемых объектах. Виртуальность, в свою очередь, способствует отходу от объективности знаний, причем субъективные знания о модели изучаемого объекта смешиваются с субъективностью ее автора. «Виртуальный» специалист на основе виртуальных знаний, приходя на реальное производство, долго будет генерировать виртуальные инженерные решения, непригодные для производства, особенно если эти знания закреплены у него на уровне аксиом. Проблема виртуальности, на наш взгляд, требует решения,основанного на синтезе конкретных методов по ее преодолению, с привлечением дидактических и методических приемов, характерных не только для инженерного образования, но для педагогики высшей школы в целом. Актуальность этой проблемы возрастает с каждым годом, поскольку повсеместно в образование внедряются информационные технологии с новыми программными продуктами для моделирования самых разнообразных процессов, имеющие определённые допущения и ограничения в практическом применении.Анализ состояния виртуальности знаний студентов на примере экономикотехнологическогофакультетаНами проведены исследования виртуальности знаний студентов по некоторымчасто используемым компьютерным программным продуктам, которые применяются при изучении общетехнических и специальных дисциплин экономикотехнологическогофакультета по направлениям «Информатика и вычислительная техника» и «Технология транспортных процессов». К таким программным продуктам можно отнести:текстовые и графические редакторы (MicrosoftWord, CorelDraw);прикладные программы математических и инженерных расчетов (MathCAD, MatLab);программы схемотехнического анализа электрических цепей (OrCAD, MicroCAP);программы конструкторскотехнологического проектирования (PCAD, AccelEDA);программы подготовки и выпуска конструкторской документации (AutoCAD, «Компас»).Если задаться целью определить достоверностьрезультатов в экспериментальном анкетном опросе P= 0,95, то минимальное число опрощенных студентов должно быть [1]:.Алексеев В. П., Степаньян В. В. Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения// Концепт. –2015. –№ 06(июнь).–ART15180. –0,5 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15180.htm.–ISSN 2304120X. 3
Нами было опрошено 39 студентов в пределах каждого программного продукта. Типовые вопросы, заданные студентам, были:для чего предназначен продукт?каковы ограничения или допущения, заложенные в данный продукт?для чего еще кроме основной цели примененияможно использовать данный продукт?какие математические модели используются в данном продукте?какие физические процессы описывает данный программный продукт?Результаты анкетного опроса сведены в таблицу.
Результаты анкетного опроса
Наименование программного продуктаЧисло правильных ответов, %Число неправильных ответов, %Microsoft WordCorelDraw!MathCADMatLabOrCADMicroCAPPCADAccel EDAAutoCAD«Компас»9079923323729231923810218677728869862
Таким образом, в среднем 64% опрошенных студентов правильно оценивают адекватность используемых пакетов программных продуктов и 36% находятся в области виртуальности. В качестве тестовогоэксперимента 39студентам было предложено сопоставить электрические схемы четырех простейших фильтров и их амплитудночастотные характеристики, после чего указать правильные пары ответов.46% студентов правильно указали пары ответов, 15%–неправильно и 39%указали две пары правильных ответов из четырех. Отсюда следует, что должны быть приняты меры к преодолению виртуальности в инженерном образовании и к повышению качества обучения в условиях широкого применения информационных технологий в учебном процессе.Дидактические методы решения проблемы виртуальности обученияВ течение ряда последних лет нами проводилась интенсивная научнопрактическая деятельность по созданию системных методов решения проблемы виртуальности на всех этапах и уровнях обучения по указанным выше направлениям подготовки бакалавров и магистров. К ним относятся:усиление фундаментальной подготовки по дисциплинам физикоматематического цикла;введение в программу лабораторных работ наряду с исследованием компьютерных моделей тестового физического эксперимента для подтверждения адекватности результатов моделирования;адаптация программ производственных практик к задачам преодоления виртуальности знаний, полученных в ходе теоретического обучения;внедрение в учебный процесс методологии группового проектного обучения (ГПО) по реальным заказам предприятий;привлечение студентов старших курсов к практической деятельности в рамках НИИ при вузе и в бизнесинкубаторе, входящих в учебнонаучный комплекс университета; Алексеев В. П., Степаньян В. В. Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения// Концепт. –2015. –№ 06(июнь).–ART15180. –0,5 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15180.htm.–ISSN 2304120X. 4
организация выполнения выпускной квалификационной работы (ВКР) по реальным проектам, выполняемым в вузе и на базовых предприятиях с внедрением результатов и демонстрацией на защите макетных и опытных образцов.Рассмотримуказанные методы подробнее.Усиление фундаментальной подготовки по дисциплинам физикоматематического циклаУглублённая фундаментальная подготовка технических специалистов является основой для широкого внедрения моделирования без опасения попасть в процессе обучения в область виртуальности знаний обучающихся. Только глубокие знания физических процессов, явлений, закономерностей в технических изделиях, окружающих нас, позволяют правильно оценить степень адекватности моделей, применяемых при изучении и проектировании новой техники. Всестороннее знание физического принципа действия (ФПД), конструктивной функциональной структуры (КФС), главной, основных, второстепенных и вредных функций изделия [2] дают возможность провести правильный анализ результатов его моделирования и работоспособность предложенного варианта конструктивного исполнения. При изучении естественнонаучных, общетехнических и профессиональных дисциплин особое внимание нужно уделять физическому смыслу процессов, протекающих в изучаемых изделиях, а также типовым физикоматематическим моделям, используемым в пакетах прикладных программ (ППП) для моделирования этих изделий. При изучении этих моделей необходимо тщательно изучить допущения, используемые при моделировании,и область адекватности ППП. Кроме того, важно знать погрешность расчётов при моделировании и количественные характеристики материалов, применяемых в изделиях. У студентов должно быть сформировано убеждение, что если в модель подставить неправильные исходные данные в виде физикохимических параметров и констант, то результаты моделирования будут далеки от действительности, хотя какието числа будут получены. Иногда, прежде чем моделировать новые изделия или процессы, предстоит провести цикл исследовательских работ по определению характеристик новых материалов, используемых в этих изделиях. В этом случае может потребоваться разработка совершенно новых методик определения этих характеристик, разработка или приобретение новых измерительных средств.Введение в программу лабораторных работ наряду с исследованием компьютерных моделей тестового физического эксперимента для подтверждения адекватности результатов моделированияПроблема виртуальности внесла новые требования к современному материальному оснащению лабораторий для проведения лабораторных практикумов. Теперь типовая лабораторная работа при использовании компьютерных моделей для изучения различных процессов должна содержать модуль физического эксперимента, который называется тестовым. Цель тестового эксперимента –подтвердить адекватность результатов, полученных при исследовании модели. Модуль физического тестового эксперимента требует меньших временных и материальных затрат, он проще по методике измерений, ноон позволяет подтвердить адекватность используемой компьютерной модели в зоне, принадлежащей области применения модели,и убедить исследователя в правомерности его действий по исследованию объекта. Особенно эффективным для преодоления виртуальности знаний, полученных в ходе выполнения лабораторных работ, является тестовый эксперимент в случае применения линейных моделей или типовых нелинейных. В этом случае попадание результата измерения в зону предположительно известной зависимости прямо доказывает адекватность модели.Алексеев В. П., Степаньян В. В. Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения// Концепт. –2015. –№ 06(июнь).–ART15180. –0,5 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15180.htm.–ISSN 2304120X. 5
Заметим, что одновременное применение физического тестового эксперимента и моделирования в лабораторных работах повышает наглядность обучения и стимулирует развитие моделирования в проектировании. В практике инженерной деятельности моделирование существенно сокращает сроки разработки и внедрения новой техники и уменьшает затраты на проектирование. Этот вывод является правомерным, если решена проблема виртуальности обучения.Адаптация программ производственных практик к задачам преодоления виртуальности знаний, полученныхв ходе теоретического обученияОсновной задачейпроизводственных практик различного вида является знакомство с реальными условиями производства новых технических изделий, с методами их испытаний, особенностями проектирования и с экономическими особенностями предприятий. Практика играет большую роль в преодолении виртуальности обучения, поскольку даёт возможность студентам наглядно ознакомиться с особенностями технологических процессов, технологичностью конструкции, ролью стандартизации в проектировании и производстве новых изделий. Особый эффект в этом направлении даёт работа студента на конкретном рабочем месте. Для решенияпроблемы виртуальности в ходе прохождения практики нами предлагается в задании на практику отражать изучение ФПД, КФС, функций изделий, производимых на предприятии, маршрутных и операционных технологических карт по изготовлению и сборке изделия, режимы обработки материалов и т.п.Это позволяет в дальнейшем правильно задавать начальные и граничные условия при моделировании, понимать и оценивать технические решения в ходе курсового и дипломного проектирования.Внедрение в учебный процесс методологии группового проектного обучения (ГПО) по реальным заказам предприятийПодробно методология ГПО описана в [3].Этот комплексный метод инженерного образования существенно сокращает сроки адаптации выпускников технических вузов к современным условиям проектирования и производства новых изделий. Нами накоплен восьмилетний опыт внедрения ГПО в учебный процесс. ГПО целесообразно применятьначиная с IIIкурса обучения на конкурсной основе. В группы ГПО отбирается до 30% от состава студентов из числа наиболее талантливых и успешных по результатам обучения. Обязательно учитывается желание студента участвовать в ГПО. Индивидуальные группы студентов в рамкахГПО состоят из 3–4 человек, каждой группе выдаётся проектное задание на реальную тему по заказам базовых предприятий, на которых студенты проходили практику. Занятия групп проходят в рамках расписания один раз в неделю целый учебный день в специально оборудованных аудиториях, оснащённых компьютерными средствами проектирования и лабораторным измерительным оборудованием для макетирования и испытаний. Как правило, в индивидуальной группе студентов назначается главный конструктор, теоретик, технолог. Занятия врамках ГПО содержат и теоретическийкомпонентв соответствии с индивидуальным учебным планом группы. Студенты групп ГПО могут дополнительно заниматься в рамках СКБ, лабораторий, НИИ при кафедрах и факультетах. Вся работа занимает двасеместра, в каждую экзаменационную сессию каждая индивидуальная группа защищает промежуточный или окончательный проект перед комиссией, в которую входят заказчики –представители предприятий и научные руководители ГПО. Комиссия выставляет оценки и рекомендует проекты к дальнейшей разработке. Для материального стимулирования учебной деятельности в рамках ГПО участники проектных групп получают доплату к стипендии из внебюджетных средств кафедр, средств, выделяемых заказчиками проектов или из стипендиального фонда. Студенты, успешно защитившие проекты, могут участвоватьв конкурсе проектов для бизнесинкубатора или продолжить Алексеев В. П., Степаньян В. В. Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения// Концепт. –2015. –№ 06(июнь).–ART15180. –0,5 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15180.htm.–ISSN 2304120X. 6
работу над проектами на предприятии заказчика в период преддипломной практики и выполнения ВКР. При этом решается задача трудоустройства молодых специалистов.Анализ успешности развития личности студентов –участников ГПО показывает, что у них проблема виртуальности знаний решается полностью при условии применения на младших курсах вышеизложенных дидактических методов.Привлечение студентов старших курсов к практической деятельности в рамках НИИ при вузе и в бизнесинкубаторе, входящемв учебнонаучный комплекс университетаПо нашему глубокому убеждению, на каждой технической кафедре должна быть хотя бы одна научная лаборатория, студенческое конструкторское бюро (СКБ), лаборатория ГПО, а в вузе должен быть бизнесинкубатор для развития инновационной деятельности. Бизнесинкубатор в нашем случае –это часть учебного корпуса, оборудованная специализированными помещениями с числом компьютерных рабочих местравных числу членов рабочей группы, оргтехникой, высокоскоростным Интернетом, которые предоставляются рабочей группе бесплатно за счёт университета на время, определяемое договором. Отбор членов рабочих групп осуществляется на конкурсной основе, как правило,из числа групп ГПО, защитивших свои проекты. Максимальное время работы одной группы составляет 3 года –последний год обучения на бакалавриате и 2 года обучения в магистратуре. За это время проект рабочей группы должен быть доведён до высокой степени готовности к внедрению на малом предприятии, организованном членами рабочей группы, на предприятии заказчика или в техниковнедренческой зоне региона. Для отработки технологичности проектных решений в техническом вуземожет функционировать технологический бизнесинкубатор, содержащий современный парк станков и оборудования для изготовления опытных образцов изделий. В технологическом бизнесинкубаторе окончательно «отсеиваются» виртуальные и нетехнологичные решения, являющиеся следствием «детских болезней» разработанных конструкций. Финансирование деятельности бизнесинкубаторов осуществляется за счёт накладных расходов от выполнения научноисследовательских и опытноконструкторских работ, грантов, хоздоговорных работ и других внебюджетных источников доходов вуза.Организация выполнения выпускной квалификационной работы (ВКР) по реальным проектам, выполняемым в вузеи на базовых предприятиях с внедрением результатов и демонстрацией на защите макетных и опытных образцовРассмотренные выше дидактические методы решения проблемы виртуальности практически обеспечивают условия для высокого уровня организации выполнения ВКР с использованиемсистемной технологии, разработанной нами и рассмотренной в [4]. Основной особенностью этой технологии является гарантированная степень новизны объектов проектирования, обусловленная критикой аналогов и прототипа, а также применением современных методов научнотехнического творчества. Наличие современной производственной базы в технологическом бизнесинкубаторе позволяет вузу не зависеть от условий производства заказчиков проектных работ в части изготовления макетных и опытных образцов изделий, разрабатываемых в рамках дипломного проектирования. Защита ВКР, сопровождаемая демонстрацией изделия, разработанного выпускником и изготовленного по документации, разработанной им, всегда вызывает повышенный интерес со стороны членов Государственной экзаменационной комиссии и присутствующих. Нами предложена традиция оставлять действующие образцы изделий на кафедре в лаборатории ГПО, ав дальнейшем–в музее кафедры для использования в учебном процессе в качестве наглядных пособий. Таким образом, следующие поколения студентов обучаются на изделиях, разработанных их предшественниками.Алексеев В. П., Степаньян В. В. Проблема виртуальности в инженерном образовании и пути ее решения для повышения качества обучения// Концепт. –2015. –№ 06(июнь).–ART15180. –0,5 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15180.htm.–ISSN 2304120X. 7
Выводы1.Сформулирована актуальная проблема виртуальности инженерного образования, возникающая при широком использовании информационных технологий и компьютерного моделирования в учебном процессе.2.Предложена и апробирована модель развития технического вуза на основе дидактических и организационных методов преодоления виртуальности образования.3.Рассмотрены основы организации группового проектного обучения в техническом вузеи способы взаимодействия его с бизнесинкубаторами.
Ссылки на источники1.Алексеев В.П., Озёркин Д.В. Основы научных исследований и патентоведение: учеб.пособие. –Томск: Издво ИОА СО РАН, 2003. –180 с.2.Алексеев В.П., Озёркин Д.В. Системный анализ и методы научнотехнического творчества: учеб.пособие. –Томск: Издво ИОА СО РАН, 2003. –304 с.3.Московченко А.Д., Алексеев В.П.Методологические и методические основы формирования групп проектного обучения: монография.–Томск: Издво Томск. гос. унта систем управления и радиоэлектроники, 2010.–134 с. 4.Степаньян В. В., Алексеев В. П. Системная технология выполнения выпускных квалификационных работ технического профиля // Концепт. –2014. –№ 09 (сентябрь).–URL: http://ekoncept.ru/2014/14228.htm. –ISSN2304120X.
Valery Alexeev,Candidate of Engineering Sciences,Associate Professor, International Innovative University, Sochialekseev.valeri@yandex.ruVladimir Stepanian,Student,EconomicsandTechnologyDepartment, International Innovative University, Sochistep.wo@mail.ruVirtual problem in engineering education and its solutions for increase of quality of educationAbstract.The paper isdevoted the problem of virtuality in engineering education in the widespread use of information technologies. The use of computer simulation in educational process allows speeding up the learning process and reducingthe cost of education. However, the problem of virtuality of acquired knowledgeappears since learning is notheld onreal physical objects, but ontheir computer models. The survey among students aimsto show virtuality level of theirknowledge. The authors offers specific system solutionsofvirtuality of acquired knowledge inlearning process.Keywords:virtuality problem, engineering education, educational system, information technology, computer model,questionnaire, fundamental education, test experiment, group projecttraining, business incubator.References1.Alekseev, V. P. &Ozjorkin,D. V. (2003) Osnovy nauchnyh issledovanij i patentovedenie: ucheb. posobie,Izdvo IOA SO RAN, Tomsk,180 p.(in Russian)2.Alekseev, V. P. &Ozjorkin,D. V. (2003) Sistemnyj analiz i metody nauchnotehnicheskogo tvorchestva: ucheb. posobie,Izdvo IOA SO RAN, Tomsk,304 p.(in Russian).4.Moskovchenko, A. D. &Alekseev,V. P. (2010) Metodologicheskie i metodicheskie osnovy formirovanija grupp proektnogo obuchenija:monografija,Izdvo Tomsk. gos. unta sistem upravlenija i radiojelektroniki, Tomsk,134 p. (in Russian).5.Stepan'jan, V. V. &Alekseev,V. P. (2014)Sistemnaja tehnologija vypolnenija vypusknyh kvalifikacionnyhrabot tehnicheskogo profilja”,Koncept,№ 09 (sentjabr').Available at: http://ekoncept.ru/2014/14228.htm,ISSN 2304120X(in Russian).
Рекомендованокпубликации:
Горевым П. М., кандидатом педагогических наук, главным редактором журнала «Концепт»
Поступила в редакциюReceived23.03.15Получена положительная рецензияReceived a positive review26.03.15ПринятакпубликацииAccepted for publication26.03.15ОпубликованаPublished27.06.15
© Концепт, научнометодический электронный журнал, 2015©Алексеев В. П., Степаньян В. В., 2015www.ekoncept.ru
