Tatyana SyvorovaВведение
Актуальность представленного исследования обусловлена следующими факторами:
1. Важным условием обеспечения технологической, экономической независимости страны в условиях цифровизации и интеграции производственных процессов является подготовка квалифицированных инженерных кадров [1].
2. Подготовка креативного, ответственного специалиста, способного генерировать новаторские идеи, предлагать оптимальные варианты их воплощения, разрабатывать конструкторские решения и реализовывать их инновационными средствами, – приоритетное направление развития современного образовательного пространства и научных исследований [2]. Новая стратегия обучения в рамках становления четвёртой промышленной революции (Индустрии 4.0), как отмечают Т. Терзиду, Т. Циацос, Х. Апостолидис, должна учитывать существующие и будущие требования рынка труда, тренды глобализации и автоматизации, ориентироваться на формирование наиболее востребованных цифровой экономикой универсальных навыков [3]. В образовательных программах следует предусмотреть возможности интеграции бизнеса и науки, инноваций и коммерциализации проектного решения, творчества и продвижения готового изделия.
3. Как отмечает Р. А. Перелет, вызовы промышленности и научного сообщества определяют в качестве важной задачи в процессе подготовки инженерно-технических кадров будущего – приобретение опыта применения имеющихся материальных ресурсов, производственных мощностей, цифровых технологий и человеческого капитала в разработке моделей киберфизических систем, в развитии искусственного интеллекта и Интернета вещей [4]. По мысли Р. E. Патерсон, в новом цифровом обществе высокотехнологичные изделия, мобильные приложения и «умные вещи» будут не просто нормой, а средствами межотраслевого взаимодействия, стимулирования инноваций, развертывания масштабных автоматизированных процессов в науке и на производстве [5].
Таким образом, особенности становления Индустрии 4.0 и приоритеты цифрового общества определяют новые требования к подготовке «инженеров будущего». Е. В. Соболева, Н. И. Исупова, Л. В. Караулова, М. М. Ниматулаев обоснованно заключают, что в образовательном пространстве первоочередной становится задача подготовки «самостоятельной личности через формирование мышления высокого порядка, в том числе инженерного» [6]. Одной из особенностей инженерного мышления является ориентированность проекта, технологического решения, модели на решение социально и экономически значимых задач: минимизация расходов, энергосбережение, автоматизация деятельности в опасных для жизни и здоровья человека условиях, работа с новыми материалами и составами [7].
Цифровая трансформация производственной сферы уже осуществляется. Однако, при реализации технологических инноваций возникают проблемы, обусловленные недостаточностью подготовки кадров в направлении формирования инженерного мышления, которое базируется на способности анализировать структуру, устройство и принцип работы технических объектов в новых условиях. Возникает практическая необходимость изменения принципов организации цифровой образовательной среды для развития инженерного мышления у профессионалов будущего. Обозначенная необходимость предполагает интеграцию новых технических средств в реальные проекты, продвижения их в науку и промышленность [8].
4. В связи с этим актуальными становятся работы о потенциале средств и технологий 3D-моделирования для подготовки инженеров будущего [9]. Поддержка инженерного образования – одна из приоритетных стратегических задач развития России, для решения которой создаются инженерные классы, развиваются лаборатории физики и робототехники, мастерские 3D-моделирования и прототипирования. Комбинируя урочную и внеурочную деятельность, поддерживая обучающихся в конструировании 3D-устройств, наставник цифровой школы получает дополнительные возможности развития инженерного мышления обучающихся [10].
Итак, цель работы состоит в выявлении особенностей применения средств 3D-технологий для формирования инженерного мышления как важной компетенции востребованного специалиста цифрового общества.
Гипотеза исследования – применение средств 3D-технологий позволит повысить качество образования, направленного на формирование необходимых компетенций, составляющих основу инженерного мышления.
В качестве основных задач были обозначены следующие:
уточнить сущность понятия «инженерное мышление» в контексте подготовки специалистов для Индустрии 4.0;
обосновать потенциал 3D-технологий для формирования инженерного мышления как необходимого качества кадров цифровой экономики;
сформулировать принципы, направления организации исследовательской деятельности обучающихся по 3D-моделированию;
представить этапы работы над междисциплинарным проектом с выделением умений и навыков, значимых для формирования инженерного мышления;
экспериментально подтвердить, что включение обучающихся в практико-ориентированную деятельность по проектированию трехмерных моделей, разработке «умных» решений для Индустрии 4.0 позволяет повысить качество подготовки специалиста будущего в плане формирования умений и навыков, составляющих основу инженерного мышления.
Обзор отечественной и зарубежной литературы по теме исследования
Становление Индустрии 4.0 определяет внедрение новых бизнес-моделей, согласно которым, как предполагается, будут работать «фабрики будущего» – предприятия, способные обеспечить принципиально новый уровень производительности и конкурентоспособности. Такой мощный толчок в развитии промышленности может произойти при условии активного применения цифровых технологий, обрабатывающих огромные массивы данных и помогающих управлять производственными процессами (от проектирования и изготовления до логистики и дальнейшего сопровождения продукта). Уже сейчас меняются требования к техническим профессиям, связанным с промышленным производством, подвергаются переосмыслению задачи специалистов, которым предстоит работать на «умных» заводах или проводить научные исследования. Поэтому перед системой образования стоит ответственная задача – дать будущим инженерам, технологам, конструкторам, проектировщикам достаточно глубокие знания и практические навыки в области новейших технологий.
А. П. Усольцевым, Т. Н. Шамало представлено комплексное исследование, которое содержит анализ различных трактовок понятия «инженерное мышление» [11]. «Инженер будущего», согласно их представлениям, должен быть самостоятельным в принятии решений и ответственным за результат своей деятельности. Для этого ему необходимо обладать навыками работы в условиях быстро меняющихся профессиональных задач, уметь прогнозировать риски и минимизировать потери. Для подготовки «инженеров будущего», как считает Г. Кайзер, необходим опыт работы в команде, опыт социализации [12]. Невозможно принятие норм и ценностей общества без взаимодействия, коммуникации и сотрудничества. Коллаборация, совместное обсуждение, сопереживание и соучастие обеспечивают нравственное воспитание инженера будущего, которое, согласно выводам Е. Я. Варшавской и Е. С. Котырло, является неотъемлемой частью универсальной компетентности выпускника. Они отмечают, что подготовка специалистов, способных к интеллектуальной деятельности в условиях неопределённости будущего и повсеместного применения высоких технологий, наиболее эффективна в рамках персонализированной модели обучения [1].
Не менее важны исследования, в которых изучаются исторические этапы решения проблемы формирования инженерного мышления (например, А. Ю. Рожик [7]). Обобщая все рассмотренные подходы, А. Ю. Рожик заключает, что понятие «инженерное мышление» охватывает мыслительные процессы, приводящие к получению решения междисциплинарных инженерных задач, созданию креативных идей, инноваций, конструкторских проектов.
Актуальные вопросы формирования инновационного мышления, как важного фактора повышения конкурентоспособности современного выпускника, представлены в работе Е. В. Соболевой, Н. И. Исуповой, Л. В. Карауловой, М. М. Ниматулаева [6]. Авторы рассматривают исследовательскую работу обучающихся по созданию инновационного продукта, технического изделия в контексте подготовки востребованного специалиста будущего.
Для поддержки педагогической деятельности по развитию критического мышления Е. В. Соболева, Т. Н. Суворова, С. В. Зенкина, Е. К. Герасимова предлагают использовать включение обучающихся в конкурсную проектную деятельность по мобильной робототехнике [13]. Учёные приводят примеры различных проектов, в которых школьники учатся анализировать, формулировать аргументированные ответы, предлагать новые идеи. Далее обучающиеся при поддержке наставника реализуют свои технические разработки, оформляют конкурсную документацию. Обобщая практический опыт, авторы заключают, что формирование мышления инженера будущего можно и нужно развивать инновационными средствами современной цифровой образовательной среды.
Появляются работы, в которых авторы обосновывают важность и значимость командной работы над междисциплинарным проектом как условия подготовки инженерно-технических кадров для открытий в науке и инноваций в промышленности. Например, Е. В. Харунжева, Н. В. Шалагинова, М. В. Кузьмина, Г. А. Кобелева рассматривают этапы научно-исследовательской деятельности обучающихся по разработке мобильного приложения – «умного решения» [14]. Ими формулируется авторский подход относительно сущности понятий «умное решение», «командная работа» и подчеркивается то обстоятельство, что решения, модели, разработки инженеров будущего могут иметь «отсроченный» характер. Это замечание согласуется с выводами A. И. Бензера и B. Юлдиза, которые полагают, что в условиях становления Индустрии 4.0. наиболее востребованными являются специалисты, имеющие опыт межотраслевой коммуникации, навыки 3D-работы по «форсайт-методологии» [15]. Суть последней заключается в том, чтобы мыслить на опережение времени и пространства.
Т. В. Машарова, Н. А. Бушмелева, М. С. Перевозчикова, И. Ю. Хлобыстова представляют подход, интегрирующий методы и средства 3D-моделирования в образовательном процессе, направленном на развитие инновационного мышления [16].
В работах Хуанг Т.Ч., Лин Ч.Ю. обращает на себя внимание гипотеза о влиянии средств 3D-технологий на воображение, подготовку к профессиональной самореализации, на развитие пространственного мышления [17]. Кроме того, обучающиеся получают возможность наблюдать и физически реагировать на модель, тем самым повышается качество усвоения учебного материала и формируются инженерные компетенции. Развивая их идеи, Е. Новак и С. Висдом выделяют возможности 3D-печати для формирования инновационного типа мышления (3D-мышления) [18].
Преимущества применения ресурсов 3D-печати в образовательном процессе подробно охарактеризованы и в исследованиях И. Н. Шегай [19].
Анализируя работы отечественных и зарубежных исследователей, заключаем, что при наличии определённого разногласия в раскрытии сущности феномена «инженерное мышление» большинство из них признают дидактический потенциал 3D-технологий для его развития.
Итак, 3D-моделирование обладает инструментами и средствами для формирования в рамках цифрового образовательного пространства особого инженерного стиля мышления, предполагающего готовность к исследовательской работе, креативность и ответственность.
Материалы и методы
Результаты исследований Хуанг Т.Ч., Лин Ч.Ю. позволили выявить дидактические возможности средств 3D-технологий [17]. При уточнении сущности «инженерного мышления», выявления его характеристик, особенностей проявления учитывались выводы А. П. Усольцева, Т. Н. Шамало [11]. Обращение к материалам Т. В. Машаровой, Н. А. Бушмелевой, М. С. Перевозчиковой, И. Ю. Хлобыстовой позволило выявить, что трехмерное моделирование имеет сложную структуру: она – целостный результат множества разветвленных процессов и должна рассматриваться в единстве всех их аспектов [16].
Обобщение выводов A. Жумански поспособствовало обоснованию заключения, что опыт исследования и практика моделирования в области современной науки являются эффективными дидактическими средствами для формирования инженерного мышления [20]. За основу инновационной деятельности обучающихся по разработке 3D-проектов принято положение, что нет интеллектуального развития без проектирования соответствующего образовательного пространства, без планирования познавательной деятельности [21].
Объект исследования – технологии трехмерного моделирования. В ходе работы используются средства 3D-технологий (3D-ручки, 3D-принтеры), программные среды для 3D моделирования (Blender, WINGS 3D, 3ds Max, SketchUp, TinkerCAD, MESHMIXER), ресурсы MS Office для представления данных, средства образовательного конструктора LEGO Mindstorms EV3, среда программирования контроллеров на базе Arduino.
В рамках исследования примем за основу положение, что инженерное мышление специалиста Индустрии 4.0 является системным, позволяющим ему исследовать проблему с учетом связей между всеми составляющими ее субъектами, объектами, процессами [22]. Применение средств 3D-технологий поддерживает развитие этого уникального свойства «инженера будущего», так как появляется возможность работать с полигональными сетками, со сценами освещения, по сечениям, с текстурами, в различных проекциях. Инженерное мышление будем рассматривать как частный случай инновационного, проявляющегося как совокупность качеств и умений личности в деятельности с техническими трехмерными объектами [23].
Для оценки сформированности инженерного мышления, анализа проектных разработок обучающихся по применению средств 3D-технологий применялись эмпирические методы. В педагогическом эксперименте были задействованы 40 участников кружка по 3D-моделированию и прототипированию «Эврикум» Вятского государственного университета. В качестве метода статистической обработки и проверки достоверности полученных результатов применялся критерий знаков G.
Исследование проводилось в три этапа.
На первом этапе (в рамках констатирующего эксперимента) были изучены различные подходы к определению сущности понятий «инженерное мышление», «инженер будущего», Индустрия 4.0. Выявлены актуальные проблемы формирования инженерного мышления как важного качества востребованного профессионала цифрового общества. Также был проведён анализ научно-методических работ относительно дидактического потенциала средств 3D-технологий для развития умений и качеств личности, составляющих основу инженерного мышления.
На втором этапе эксперимента были сформулированы принципы, направления организации исследовательской деятельности обучающихся по 3D-моделированию. Предложенные принципы были реализованы в системе работы над междисциплинарным проектом, которая включала в себя выделение методической, организационной, технической составляющих и конкретизацию умений и навыков, значимых для формирования инженерного мышления.
Третий этап исследования представляет собой педагогический эксперимент по проверке сформулированных принципов организации практико-ориентированной деятельности, направленной на проектирование трехмерных моделей и разработку «умных» решений для Индустрии 4.0.
Результаты
Уточнение сущности понятий
В представленном исследовании будем придерживаться следующего толкования понятия «Индустрия 4.0»: это концепция, предполагающая реализацию четвертой промышленной революции, связываемой с интеграцией промышленного оборудования (или «промышленным интернетом вещей») и эволюцией процессов автоматизации в промышленности с качественным переходом производств в форму «цифрового предприятия» [24]. Важной составляющей концепции является выход процессов автоматизированного сбора, анализа, обмена и использования информации в электронно-цифровой форме за рамки внутренней среды организации и создание общей информационной системы предприятий, занятых в производстве, продаже и дальнейшем обслуживании товаров, реализации услуг.
Становление Индустрии 4.0 обуславливает необходимость инновационных технических разработок, поддерживающих «умные» решения. Под «умным решением» будем понимать технологии, предметы, которые поддерживают пользователей в поиске новых путей решения их задач, совершенствовании действий, аналитике текущей деятельности и обеспечивают качественное взаимодействие с окружающей средой.
Подробный анализ дефиниций «инженерное мышление», «инновационное мышление», «техническое мышление», позволил определить авторскую позицию относительно сущности исследуемого феномена. Инженерное мышление будем рассматривать как «особый вид мышления, формирующийся и проявляющийся при решении проблем технического, конструкторского, технологического характера, поддерживающий специалиста в принятии быстрого, точного, оригинального решения для практико-ориентированной задачи и ориентированного на удовлетворение как технических потребностей, так и социальных нужд» [11].
В представленном исследовании при формировании инженерного мышления учитывается положение, что оно есть интеграция технического, экономического, научно-исследовательского, конструктивного мышления.
Основу инженерного мышления для востребованного специалиста Индустрии 4.0 составляет пространственное воображение, пространственное мышление, а роль системообразующего фактора выполняет интеллектуальная компетентность [25]. Интеллектуальная компетентность, как совокупность качеств и умений личности, включает элементы логической, методологической, познавательной деятельности, соотнесённой с реальными объектами. Сюда входят навыки целеполагания, планирования, анализа, рефлексии, самооценки.
Инженер будущего в условиях становления Индустрии 4.0 должен быть специалистом, готовым к профессиональной деятельности, обладающим востребованными профессиональными компетенциями и инженерным мышлением. К востребованным профессиональным компетенциям, согласно требованиям рынка труда и потенциальных работодателей, по мнению А. Т. Фаритова, следует отнести: высокий уровень общетеоретической технической подготовки; понимание и учёт широких междисциплинарных связей; мобильность; критичность и рациональность; восприимчивость к новым идеям; умение видеть элементы системы как отдельно, так и в единстве [26].
При формировании инженерного мышления средствами 3D-технологий особое внимание следует уделить деятельности, в которой будущий специалист Индустрии 4.0 сможет:
применить как профильные технические, так и метапредметные компетенции;
проявить свои способности «видеть» как каждый элемент системы отдельно, так и взаимосвязи между ними и работу всей системы в целом;
формулировать проблему, определять приоритетные задачи и отбирать эффективные технические средства;
проявить творчество, самостоятельность нестандартность мышления в условиях ограничений различной природы;
находить рациональные решения и компромиссы при разрешении противоречий и конфликтов;
оптимальным образом распределять имеющиеся ресурсы;
аргументировано обосновывать и технически оформлять найденное проектное решение.
Педагогическая поддержка проектной деятельности обучающихся
по разработке инженерных решений
Далее опишем принципы, определяющие содержание исследовательской деятельности обучающихся по 3D-моделированию, способствующей формированию инженерного мышления.
Принцип необходимости анализа требований науки и промышленности к инженерно-техническим кадрам будущего. В отраслях промышленности появляется возможность выбирать материалы, которые наилучшим образом подходят для решения конкретных задач Индустрии 4.0 (функциональные прототипы или серийное производство). Вероятно, возникнет и новая научная проблема: появится необходимость в стандартизации материалов и в улучшении управления оборудованием, особенно в отраслях с высокими требованиями к качеству, таких как авиакосмическая промышленность и производство медицинского оборудования. При подготовке инженера будущего следует реализовывать проекты, которые предполагают применение средств 3D-технологий для получения результатов в конкретных областях человеческой деятельности [27], например, совершенствование технического изделия за счёт изменения пропорций состава, модификации физико-механических свойств.
Принцип состязательности, предполагающий включение обучающихся в соревновательную деятельность по 3D-моделированию, робототехнике. Инженер будущего должен быть готов к конкуренции, состязательности, открытой борьбе с другими специалистами. Такая подготовка становится возможной в ходе участия в таких конкурсах как конкурс для школьников «Я – 3D-инженер», конкурс по 3D-моделированию среди школьников и студентов «Со3Dатель», конкурс по 3D-печати «ВЗДумай»,всероссийская олимпиада по 3D-технологиям для школьников от Ассоциации 3D образования и другие. Указанный принцип заключается в том, что обучающиеся получают не только опыт генерации идей, стратегического планирования, но и практику презентации/самопрезентации перед экспертами и будущими работодателями. Например, в ходе соревнования требуется отчитаться перед экспертами за готовность по следующим параметрам: укомплектованность команды, выполнение задания с помощью цифрового учебного тренажера на проверку знаний об устройстве 3D-принтера; проверка правильности калибровки принтера; сохранения модели по указанным правилам и в заданном формате.
Принцип учёта и реализации межпредметных связей. 3D-моделирование и 3D-печать являются инструментами для решения задач в самых разнообразных областях человеческой деятельности и выход за пределы технического круга дисциплин неизбежен. Например, для того чтобы реставрировать исторический памятник специалист будущего должен уметь разработать 3D-модель, спроектировать её с учётом исторического контекста, географического положения, социокультурного значения. В качестве примера укажем применение 3D-сканирования и 3D-печати для реставрации Успенского собора Тульского кремля.
Аналогично специальные знания во многих других областях также могут оказаться востребованными. Например, инженеру могут пригодиться знания в области биологии для того, чтобы учитывать как мозг человека воспринимает глубину путем слияния двух изображений с различной перспективой, поступающих от каждого глаза. Если при реконструкции изделия будут использованы инновационные материалы, то необходимо смоделировать их взаимодействие и влияние на окружающую среду.
Проблемный характер обучения. Организация соответствующей познавательной деятельности предполагает высокий уровень самостоятельности в рассуждениях, поиске решения в условиях ограничений. Например, вы являетесь сотрудниками центра 3D-копирования. 25 октября вам прислали несколько заказов на изготовление изделий, предназначенных для дальнейшей распечатки и продажи готового изделия к Новому году среди сотрудников крупного холдинга. Команде вашего центра необходимо определить и выполнить все этапы проектной деятельности в соответствии с имеющимися ресурсами и сроками. В ходе решения подобных задач у наставника есть возможность познакомить обучающихся с современными концепциями управления проектами, такими как Scrum и Agile, умение работать согласно методологии которых также является важным для инженеров цифровой экономики.
Принцип обучения через решение системы практико-ориентированных задач, ключевой идеей которого является то, что понятие «задача» может интерпретироваться довольно широко. Суть применения предлагаемого подхода для поддержки развития инженерного мышления заключается в том, что приобретение нового знания при решении технической проблемы направляется педагогом через систему специально подобранных задач.
Приведем несколько примеров таких задач.
1. Необходимо разработать модель сувенирной кружки и распечатать её для продажи. Высота не более 100 мм. Диаметр верхней окружности не менее 100 мм. Диаметр основания не более 70 мм. Толщина стенок кружки должна быть ровно 3 мм. Обязательно нанесение изображения новогодней тематики.
2. Подставка под канцелярские принадлежности в виде ежика с основанием в виде эллипса. При этом большая полуось эллипса 55 мм, малая полуось 45 мм. Фиксаторы для карандашей – в виде иголок ежика. Обязательно наличие у подставки мордочки ежика. В подставку должно помещаться не менее 60 карандашей. Расстояние между иголками: 5 мм (карандаши должны быть плотно зафиксированы между иголками подставки).
Принцип преемственности между уровнями подготовки инженерно-технических кадров (программные средства, технологии, методическая система обучения). Этот принцип предполагает, что цепочка познавательных задач, поддерживающая познание и формирование инженерного мышления, учитывает возрастные особенности обучающихся на всех уровнях и ступенях образования. Например, обучающийся начальной школы осваивает 3D-ручку и с помощью неё развивает мелкую моторику; в среднем звене обучающийся получает навыки 3D-моделирования; соревновательная деятельность в старшей школе позволяет организовать практику работы с 3D-принтерами для защиты проектов; среда обучения в университете развивает универсальные компетенции (коллаборации, проектная деятельность, программирование и работа в условиях неопределённости и т. д.) и качества личности, составляющие основу инженерного мышления.
При получении высшего образования в качестве средства для 3D-моделирования выступают технически более сложные программные средства (например, Maya). Профессиональная подготовка может предполагать совершенствование уже разработанной 3D-модели под новые ограничения, новые технические возможности (например, использовать их как шаблоны для дополненной реальности).
Требования Индустрии 4.0 определяют, что технический специалист должен быть способен к выполнению функций дизайнера, маркетолога и т.п. Работа со средствами 3D-технологий, как обосновывает C. Чарльзуорт, как раз и позволяет получить этот уникальный опыт [28]. В ходе командной работы над междисциплинарным проектом по 3D-моделированию участник может переходить от роли генератора идей, конструктора к роли программиста, механика и т.д. От наставника цифровой школы требуется организация соответствующей поддержки и создание условий для развития инженерного мышления.
Принцип практического применения полученных прототипов, 3D-моделей в смежных перспективных отраслях. Недавно появившиеся и имеющие большой образовательный потенциал технологии виртуальной и дополненной реальности невозможны без 3D-моделей. Виртуальная реальность — это отдельный мир трехмерных моделей, который воссоздает объекты реального мира с их свойствами и поведением И иллюзия присутствия человека в другой реальности допустима благодаря именно качественным трехмерным моделям.
В дополненной реальности модели могут применяться для виртуального восстановления внешнего вида животного по имеющемуся скелету, его размеров или здания в различные исторические эпохи.
Новые средства обучения, например, компактный наземный лазерный 3D-сканер Leica BLK360, позволяют получить виртуальную 3D-модель здания для эффективного ведения его жизненного цикла (от проектирования до эксплуатации), работы в среде информационного моделирования (BIM-технологии), сохранения культурного наследия и реставрации. Полученные 3D-модели могут использоваться для организации учебных занятий в среде виртуальной реальности как самостоятельные объекты для последующей инженерной деятельности.
Еще одним примером использования моделей в виртуальной реальности может являться создание объектов макро- и микромиров и последующие манипуляции с ними. Эксперименты с физическими моделями в данном случае нецелесообразны, а виртуальная модель позволяет ставить опыты даже в условиях невесомости.
Виртуальные трехмерные модели вносят свой вклад и в нейрообразование. Для повышения эффективности учебного процесса необходимо понимать строение головного мозга, принципы его работы с информацией, а для этого необходимо наглядно представить все его отделы.
Экспериментальная оценка
Эксперимент был организован с целью подтверждения дидактического потенциала средств 3D-технологий для подготовки специалиста Индустрии 4.0 и развития востребованного инженерного мышления. В рамках подготовительного этапа был определён набор умений, формирование которых и отслеживалось в ходе деятельности по разработке 3D-моделей. Далее в соответствии с этим набором были сформулированы задания для оценочного измерения. Вопросы контрольного мероприятия до и после эксперимента разрабатывались с учётом положений, сформулированных в работе Т. В. Кудрявцевой и И. С. Якиманской [29]. Были разработаны задачи пяти типов. Особенностью представленной системы заданий для контрольного оценивания является то, что в каждом из них обучающемуся было необходимо проявить умения и качества личности, составляющие основу технического, экономического, научно-исследовательского, конструктивного мышления.
1. Задания, в которых обучающиеся проявляли умения обобщать и конкретизировать технические явления (например, задачи на классификацию).
2. Задания, в которых обучающиеся проявляли конструктивно-технические навыки, предполагающие комбинирование объектов.
3. Задания, в которых обучающиеся проявляли умения распознавать неполадки.
4. Задания, предполагающие оперирование пространственными образами.
5. Задания, предполагающие расчёт экономической целесообразности проектного решения.
Таким образом, контрольное мероприятие до и после эксперимента было основано на выполнении десяти заданий, за каждое из которых максимально можно было получить два балла.
На стадии формирующего эксперимента педагогом были проанализированы требования Индустрии 4.0 к «инженерам будущего. Были выделены следующие направления: мобильные технологии, AR/VR, «умные» решения для потребителей социальных услуг. По каждому направлению наставником были разработаны темы для конструирования. Например, в рамках направления «технологии определения местонахождения» обучающимся было предложено разработать 3D-модель школы, природного участка. В качестве перспективы такого проекта – оформление сувенира, ландшафта для компьютерной игры.
Обучающимся были предложены возможные тематики проектов, из которых они выбирали те, которые отвечали их профессиональным стремлениям, познавательным интересам, способностям, образовательным достижениям. К программной реализации они приступали после изучения соответствующего теоретического материала по 3D-моделированию, получения практики работы в среде проектирования. На практическое воплощение концепции/идеи проекта было отведено четыре месяца.
После включения в обучение такой проектной работы, соответствующей всем принципам, определяющим содержание деятельности обучающихся по 3D-моделированию, проводилось ещё одно контрольное мероприятие, в ходе которого были определены уровни сформированности инженерного мышления.
Уровень «высокий» (более 19 баллов): обучающийся самостоятелен в определении задач исследования; рационально подходит к определению ограничений различной природы (материальные, социальные и т. д.); осознаёт социальную значимость моделируемого объекта/явления; эффективно распределяет имеющиеся ресурсы в ходе практической реализации; демонстрирует метапредметные компетенции; выделяет взаимосвязи между элементами в проектируемой системе и условия их проявления; аргументированно отстаивает своё представление модели, концепции проекта, конструкторского решения; владеет приёмами, методами работы со средствами 3D-технологий; умеет обоснованно отбирать наиболее эффективные средства 3D-технологий и приёмы конструирования, разработки «умного изделия».
Уровень «средний» (от 18 до 9 баллов): обучающийся не всегда способен самостоятельно сформулировать задачи исследования; не для всех ресурсных ограничений способен выполнить разработку модели; не полностью осознаёт потенциал моделируемого объекта/явления; демонстрирует недостаточный уровень сформированности метапредметных компетенций; выделяет не все взаимосвязи между элементами в проектируемой системе и условия их проявления; не всегда аргументировано отстаивает своё представление модели, концепции проекта, конструкторского решения; знает приёмы, методы работы со средствами 3D-технологий, но допускает одну-две некритические ошибки в рассуждениях при обосновании их выбора для конструирования, разработки «умного изделия».
В остальных случаях уровень инженерного мышления определялся как «низкий».
На этапе обработки результатов эксперимента использовались статистические таблицы для G-критерия знаков [30]. Были приняты следующие гипотезы:
H0: сдвиг в повышении уровня сформированности умений, составляющих основу инженерного мышления, после применения средств 3D-технологий, является случайным. H1: сдвиг в повышении уровня, неслучаен.
Результаты контрольного мероприятия представлены в Таблице 1.
Таблица 1.
Результаты оценивания
Уровень инженерного мышления В начале эксперимента В конце эксперимента Положительный сдвиг Отрицательный сдвиг Нулевой сдвиг Общее количество ненулевых сдвигов
Высокий 1 4 0 0 1 0
Средний 28 34 22 2 4 24
Низкий 11 2 11 0 0 11
Итого 33 2 5 35
Значения в столбцах «Положительный сдвиг», «Отрицательный сдвиг», «Нулевой сдвиг» позволяют в динамике представить качественные изменения уровня сформированности умений и навыков личности, составляющих основу инженерного мышления. В соответствующих ячейках таблицы имеем 5 «нулевых» (отбрасываемых сдвига), 33 «положительных» (типичных сдвига), 2 отрицательных (нетипичных) сдвига. По требованиям критерия в расчёт принимаются только «ненулевые» сдвиги, а нулевые отбрасываются. Выполняя анализ значений статистических таблиц для критерия G знаков и онлайн-расчёты, заключаем, что для n=33 (в соответствии с числом «типичных» сдвигов) справедливо следующее:
G_cr={(11,при p = 0.05@9 ,при p = 0.01 )┤
По эмпирическим измерениям Gemp = 3. Таким образом, Gemp<Gcr. Следовательно, сдвиг в повышении уровня сформированности умений и навыков личности, составляющих основу инженерного мышления, после применения средств 3D-технологий в экспериментальной группе, неслучаен.
Заключение
Таким образом, результаты исследования доказывают, что средства 3D-технологий обладают мощным образовательным потенциалом в плане совершенствования подготовки востребованного «инженера будущего». Важным условием является реализация разработанной системы принципов. Каждый принцип соотнесён с научными достижениями исследователей, авторитетных в области подготовки инженерно-технических кадров. Задачи, определяющие содержательное наполнение, соответствуют приоритетам цифровой экономики и уровню современной образовательной среды.
При формировании инженерного мышления средствами 3D-технологий следует учитывать, что соответствующая деятельность предполагает интеграцию инновационного, технического, экономического и конструктивного компонентов. Отличительными чертами «инженера будущего» являются:
умение «видеть» структуру там, где она не видна человеку с недостаточно развитым инженерным мышлением – инженер будущего должен видеть всевозможные взаимосвязи между элементами в системе, а также условия, в которых они проявляются;
умение быть эффективным в условиях ограничений, которые могут определяться природой (климат, физические законы, сопротивление материалов и т. д.) или человеком (поведение людей, финансы, юридические ограничения и т. д.);
умение определять приоритетные задачи в проекте и эффективно распределять ресурсы.
Полученные результаты могут быть использованы для повышения качества обучения 3D-моделированию в цифровой школе за счёт специально-организованных условий поддержки учебной деятельности обучающихся, ориентированной на развитие инженерного мышления и осуществляемой в условиях цифровой образовательной среды, направленной на подготовку кадров для Индустрии 4.0.