Full text
Введение Концепция Национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации» обусловила стремительный переход к цифровой Индустрии 4.0, что существенным образом трансформирует современный и предопределяет будущий рынки труда, в том числе в промышленном и производственном секторах. Наряду с ускорением повсеместного внедрения цифровых технологий цифровые навыки обуславливают успешное трудоустройство современного специалиста [1]. В современных реалиях образование рассматривается как стратегическое условие «для выживания цивилизации в целом», в свою очередь, цифровизация образования, поддерживаемая на государственном уровне и отвечающая запросам социума и «оцифрованной экономики», требует переосмысления подготовки студентов [2]. В этой связи, характерной особенностью современного этапа развития профессионального инженерного образования является непреодолимое увеличение влияния цифровизации, которая представляется новым трендом глобального прогресса, пришедшим на смену информатизации. При этом, согласно аналитическому отчету [3], а также по мнению ряда исследователей данного вопроса (Батова М. М. [4], Гилева Т. А. [5], Константинова Д. С.[6], Попов Е. С. [7] и др.], в ближайшем будущем ожидается глобальный процесс изменения требований к специалистам, существенную трансформацию их профессиональной деятельности, поскольку большинство функций, не затронутые предыдущими волнами внедрения методов и средств информатизации, в той или иной степени будут подвержены автоматизации или роботизации. Современная инженерная деятельность неразрывно связана с использованием, как математических методов, так методов и средств информационно-коммуникационных технологий (ИКТ). Инженерам приходится иметь дело с построением и исследованием моделей технических объектов (ТО), с расчетами технических устройств (ТУ), с разработкой и внедрением инновационных технологий. Бурное развитие средств ИКТ выдвинуло на передний план вычислительную математику и программирование при решении научных и практических инженерных задач. Например, речь может идти о применении современных ИКТ в архитектурном проектировании при составлении информационно-математической модели архитектурного объекта [8, С. 5], об использовании Интернет-сервисов при решении задач информационно-математического моделирования транспортных потоков [9] и др. И. М. Столбова (с соавт.), отмечая проблему оснащения строительной отрасли технологиями информационного моделирования (или BIM-технологиями), говорит о том, что для перехода к широкому использованию BIM-технологий следует решить задачу подготовки инженерных кадров с инновационным мышлением. Авторы обоз-начают требования к специалистам, способным продвигать BIM-технологии в строительной индустрии, выявляют новые подходы в графической подготовке студентов строительных специальностей технического вуза [10, С. 153-154]. Именно интеграция цифровых технологий в уже сложившиеся традиционные и инновационные обучающие практики определяет успех в цифровом образовательном пространстве. В этой связи, цель настоящего исследования заключается в поиске возможных оптимальных путей осуществления информационно-математической подготовки будущих инженеров технических специальностей вузов для Индустрии 4.0. И, как следствие, в разработке методики применения средств информационно-математического моделирования для развития цифровых компетенций будущих инженеров, востребованных в Индустрии 4.0., в условиях цифровой трансформации профессионального инженерного образования. Обзор отечественной и зарубежной литературы В настоящее время при подготовке будущих специалистов, в том числе инженерного профиля, получила распространение гибридная (смешанная) технология обучения, совмещающая инновационные технологии электронного обучения с традиционным образовательным процессом [11]. Проблема цифровизации – одна из наиболее острых тем, обсуждаемых в отечественной и зарубежной научно-педагогической литературе. В этой связи, особое внимание уделяется рассмотрению новых подходов к организации инженерного образования во всем мире, среди которых наиболее значимыми являются: подход CDIO, основанный на идее включения в процесс обучения разного рода интегрированных учебных заданий и практик [12, 13]; подход IGIP, направленный на развитие способностей студентов к самообразованию и самоорганизации [14], STEM-образование, основанное на идее обучения учащихся с применением междисциплинарного и прикладного подходов [15, 16, 17]. Авторы отмечают как плюсы, так и минусы сложившихся тенденций в развитии образовательной парадигмы, с точки зрения нарастающего влияния цифровизации. Большинство говорит об отсутствии готовности к применению идей новых образовательных технологий, как на образовательном, так и техническом уровнях. Б. Е. Стариченко, отмечая проблемы интеграции массовых открытых онлайн курсов в учебный процесс высшей школы, говорит о концепции открытых образовательных ресурсов, практическая реализация которой может составить альтернативу «содержанию деятельности по эволюционной цифровизации учебного процесса вузов» [18, С. 6]. F. Pettersson, анализируя то, каким образом эволюционировало понятие цифровой компетентности в образовании в международных исследованиях за последние 10 лет, отмечает, что «хотя исследования цифровой компетентности в образовательных контекстах расширились, знания о цифровой компетентности, связанной с организационной инфраструктурой и стратегическим лидерством, являются скудными» [19, С. 1005]. Европейский Интернет-социолог А. Scov [20]. констатирует, что концепция цифровых компетенций возникла одновременно с развитием цифровых технологий и по мере того, как общество осознало потребность в новых компетенциях. В свою очередь, развитие цифровых технологий обуславливает создание новых видов деятельности. Он считает, что значимость и содержание цифровых компетенций постоянно меняется и всегда должна рассматриваться в связи с существующими технологиями и их применением. Итальянский ученый C. Rizza [21] рассматривает цифровые компетенции как общий термин, используемый для того, чтобы описать или объяснить способность (гражданина, ученик, учитель и т. д.) использования информационных технологий в определенном контексте. В отчете Европейской комиссии [22] представлена модель цифровых компетенций человека, состоящая иp двадцати одной компетенции, которые распределены по пяти областям (рис. 1). В аналитическом отчете от Корпоративного университета Сбербанка [3], указано, что цифровые компетенции положены в основу цифровой грамотности, и рассматриваются как способность решать разнообразные задачи в области использования ИКТ: применять и создавать контент посредством инструментария цифровых технологий, включая поиск и обмен информацией, ответы на запросы, коммуницирование с другими людьми, и программирование. Рис. 1. Европейская модель цифровых компетенций Поскольку на современном этапе развития образования акцент сделан на практическую составляющую процесса обучения, на то, чтобы научить студентов применять полученные знания на практике в своей будущей профессиональной деятельности, особую популярность приобретают практико-ориентированные технологии обучения, как важнейшие составляющие в вопросе формирования и развития профессиональных компетенций студентов. В настоящее время, по словам А. А. Вербицкого, «назрела необходимость перехода к практико-ориентированному типу непрерывного образования с опорой на фундаментальное содержание наук и на неисчерпаемые возможности человека как субъекта общего и профессионального развития, в том числе посредством использования огромных возможностей цифровых средств обучения» [23]. В непосредственной связи с практико-ориентированным подходом к обучению находятся процессы межпредметной интеграции, широко обсуждаемые в методической литературе. Основной акцент в решении данного вопроса на современном этапе развития науки и образования сделан в сторону усиления влияния цифровизации и, как следствие, направлен на разработку технологий обучения, ориентированных на формирование и развитие цифровых компетенций будущих специалистов инженерного профиля. В аспекте взаимной интеграции, осуществляемой в процессе информационно-математической подготовки будущих инженеров в работах [24, 25] авторами настоящей статьи проведен подробный анализ разделов и тем информатики и математики, имеющих значение друг относительно друга. В частности, выделены составляющие математической основы информатики и те разделы и темы, которые необходимо знать студентам для решения задач, поставленных в самой математике, а также рассмотрены особенности интеграции информационной и математической подготовки будущих инженеров при выполнении практических заданий и лабораторных работ в рамках изучения соответствующих дисциплин. В. А. Тестов в качестве средства интеграции в обучении математике и ИКТ видит «изучение фрактальной геометрии в школе и в вузах», отмечая, что «фрактальная геометрия – это не просто новый раздел математики, это одна из важнейших составных частей картины мира математики» [26, С. 489]. В. А. Далингер рассматривает вопрос о дидактико-технологических особенностях обучения учащихся решению экономических задач средствами математических сред Mathcad и Maple [27, 28]. Е. А. Кочегурова обращает внимание на то, что «особый потенциал для подготовки студентов к самостоятельному приобретению части профессиональных знаний, опыт учебной деятельности и группового проектирования, закладывается, прежде всего, в ходе их математической подготовки», тогда как «усиление информационной компоненты в математической подготовке студентов во многом обновляет концепции преподавания дисциплин математического цикла» [29, С. 6]. В. С. Секованов особую роль в изучении вопроса внедрения средств ИКТ в самостоятельную работу студентов отводит выполнению многоэтапных математико-информационных заданий, при разработке и выполнении которых предусмотрено использование ИКТ наряду с математическими и информационными методами. Результаты исследования авторов говорят о существенном влиянии такого рода заданий на формирование «когнитивных, функциональных, личностных и этических компетенций студентов и развитию их креативности» [30, С. 140]. Таким образом, анализ литературы позволил выделить следующие основные направления в рассмотрении вопросов, поставленных авторами настоящего исследования:  необходимость усиления информационной компоненты в математической подготовке будущих инженеров технического профиля, следствием которой является обновление существующих подходов к организационной составляющей процесса преподавания дисциплин как математического, так и информационного циклов;  осуществление междисциплинарной интеграции в процессе преподавания математики и информатики, основанной на применении информационно-математического моделирования и направленной на формирование и развитие цифровых компетенций студентов. Методологическая база исследования Теоретической и методологической базой работы являются труды отечественных и зарубежных ученых по вопросам в области преподавания математики (М. Клайн, А. Н. Колмогоров, Л. Д. Кудрявцев, В. А. Гусев, А. А. Самарский, Б. Я. Советов, В. А. Далингер, В. А. Тестов и др.) и информатики (К. К. Колин, А. А. Кузнецов, М. П. Лапчик, Н. И. Пак, Е. С. Полат, И. В. Роберт, Е. К. Хеннер и др.), инновационного подхода CDIO в инженерном образовании (Э. Ф. Кроули, Й. Малмквист, С. Остлунд, Д. Р. Бродер, К. Эдстрем, А. И. Чучалин и др.) и контекстно-компетентностного (В. И. Байденко, И. А. Зимняя, А. В. Хуторской, В. Д. Шадриков, А. А. Вербицкий и др.) подхода к обучению; а также исследования по вопросам формирования и развития цифровых компетенций (М. М. Батова, Т. А. Гилева, Я. В. Дидковская, Д. С. Константинова, М. М. Кудаева, К. Ризза, А. Сков, Ф. Петтерсон и др.), влияния цифровизации на профессиональное образование (М. Ю. Лехмус, Е. А. Колганов, Р. М. Сафуанов, Б. Е. Стариченко и др.). На основе разработанных вышеперечисленными авторами исследований были раскрыты дидактические возможности информационно-математического моделирования (ИММ) и разработана методика применения средств ИММ для развития цифровых компетенций будущих инженеров. Результаты исследования На основании проведенного анализа существующих подходов и представлений относительно информационно-математической подготовки будущих инженеров и в соответствие с целью статьи, нами была поставлена задача выявления особенностей обучения будущих инженеров информационно-математическому моделированию (ИММ) при выполнении самостоятельных работ (СР) в условиях реализации современных образовательных стандартов. Авторами настоящего исследования проведен анализ существующих методов реализации ИММ на компьютере и программного обеспечения, позволяющего осуществить их практическую реализацию, предложена система задач, решаемых с помощью ИММ. Как показывают результаты исследований вопросов внедрения методов математического моделирования в учебный процесс, именно умения строить математические модели (ММ), работать с ними, грамотно интерпретировать в контексте профессионально-значимых задач, «способствуют формированию психологической и технологической подготовке обучающихся к содержательному и творческому использованию математики и ее методов» [31, С. 276]. На этот аспект ММ обращает внимание и коллектив авторов во главе с Monica [32]. Требования, предъявляемые к ММ [33, 34]: 1) универсальность; 2) адекватность; 3) точность; 4) экономичность; 5) вычислимость; 6) модульность; 7) алгоритмизируемость; 8) наглядность. Исходя из вышеперечисленных требований, в настоящее время большинство ММ, используемых в современной научной и практической инженерной деятельности, должны быть реализованы на компьютере. В контексте работы с ТО используется понятие информационно-математической модели (ИММ). Принимая во внимание специфику профессиональной деятельности инженера в Индустрии 4.0., рассмотрено содержание цифровых компетенций инженера в контексте применения им информационно-математического моделирования при решении практико-ориентированных задач межпредметного содержания, классификация которых представлена нами в научной работе [35], а именно: создавать, интерпретировать и использовать информационно-математическую модель ТО и ТУ при помощи цифровых технологий, включая поиск и обмен инженерно-технической информацией, ответы на вопросы, взаимодействие с другими людьми, и компьютерное программирование [35]. Практическая апробация внедрения ИММ в процесс обучения будущих инженеров технического профиля осуществлялась в разработке тем для интегрированных (междисциплинарных) СР студентов, научном руководстве в подготовке публикаций результатов научных исследований студентов в научных журналах и сборниках конференций, подготовке докладов к выступлениям. Рассмотрим более подробно вопрос практической реализации включения информационно-математического моделирования в процесс обучения будущих специалистов технического профиля. Например, при изучении раздела «Основы алгоритмизации и программирование» в рамках практических занятий необходимо особое внимание уделять построению блок-схем, использующихся для графического отображения алгоритма решения вычислительной задачи средствами какого-либо языка программирования. В качестве примера рассмотрим блок-схему алгоритма диагностирования общего технического состояния автомобиля (рис. 2). Рис. 2. Фрагмент алгоритма диагностирования общего технического состояния автомобиля В процессе подготовки студента на первом курсе в рамках дисциплины «Информатика» целесообразно давать следующие задания для выполнения СР, в которых используется информационно-математическое моделирование. Задание 1. Построить функционально-логическую модель триггера (рис. 3) в среде Excel (рис. 4). Рис. 3. Триггер Рис. 4. Функционально-логическая модель триггера в среде Excel Также в рамках тематики Задания 1 можно предложить студентам построить интерактивную модель триггера в среде Excel (рис. 5). На входах триггера S и R из заранее созданного списка пользователем выбираются значения «ИСТИНА» или «ЛОЖЬ». В зависимости от текущих значений S и R меняются последующие значения триггера. Рис. 5. Интерактивная модель триггера в среде Excel Задание 2. В Excel решить задачу Коммивояжера, заключающуюся в отыскании оптимального маршрута, который проходит через заданные города по одному разу с последующим возвратом в исходный город. Имеется 11 городов, координаты которых известны (рис. 6). Маршруты проложены только между двумя заданными городами. Построить линейную и нелинейную оптимизационную модель решения задачи. Рис. 6. Дорожная сеть Задание 3. Используя арифметический цикл со сложным ветвлением, разработать блок-схему вычисления значений функции и программный код на Visual Basic for Applications. На лист Excel вывести значения x, y, номер ветвления в табличной форме. На основе полученных данных построить график функции y. В организации СР студентов важная роль отводится научно-исследовательской работе (НИРС). Как известно, правильно организованная научно-исследовательская деятельность обучаемых выступает основой развития творческого мышления, способствует личностной самореализации, становится в результате одним из решающих факторов формирования профессиональной компетенции будущих специалистов различного профиля. Вопросам внедрения НИРС в контексте интегрированного подхода в преподавании дисциплин математического и информационного циклов будущим инженерам технического профиля посвящены работы В. М. Федосеева [36], Ю. В. Красавиной [37], И. В. Бабичевой [38, 39] и др. Так, например, И. В. Бабичева обосновывает эффективность многоуровневого подхода к организации НИРС. В частности, автор, используя практические примеры раздела математики «Вариационное исчисление и методы оптимизации», рассматривает реализацию выделенных им трех уровней организации НИРС студентов технических направлений специализации. Кроме того, И. В. Бабичева в своей работе [39] особый акцент делает на использование информационных технологий в процессе организации НИРС. Следует отметить, что, в соответствии с целью настоящего исследования, особый интерес представляют работы междисциплинарного характера, при выполнении которых требуется привлечение знаний и методов из смежных дисциплин. Рассмотрим примеры НИРС выполненных студентами, обучающимися на факультете «Автомобильный транспорт» ФГБОУ ВО «СибАДИ» (направления подготовки «Энергетическое машиностроение» и «Наземные транспортно-технологические комплексы», профили «Двигатели внутреннего сгорания» и «Автомобиле- и тракторостроение», соответственно), ставшие победителями конкурса студенческих научных работ. 1. Черников Д. И. Нахождение работы двигателя с помощью определенного интеграла [40] 2. Вайсенбургер Д. А. Эпитрохоида роторно-поршневого двигателя: ее свойства и построение [41]. Работы [40, 41] выполнены в рамках дисциплины «Математика» с использованием следующих программных средств: 1) система автоматизированного проектирования КОМПАС-3D для выполнения чертежей (построение индикаторной диаграммы по результатам аналитических расчетов двигателя внутреннего сгорания; построение и изучение поведения эпитрохоиды роторно-поршневого двигателя в зависимости от параметров деталей двигателя); 2) Excel для построения таблиц и выполнение расчетов в них. В рамках НИРС по дисциплинам «Информатика» и «Математика» целесообразно применять метод электронных междисциплинарных проектов, под которыми в научной работе [37, С. 167] понимается «совокупность учебно-познавательных приемов и процедур, организованных в электронной среде, способствующих развитию профессиональных компетенций будущего специалиста за счет реализации при выполнении проекта средствами ИКТ междисциплинарных связей; творческого, синтетического применения знаний, умений, навыков и их переноса на профессиональную деятельность». Приведем примеры заданий для междисциплинарных электронных проектов, которые могут быть предложены обучающимся в качестве НИРС. 1. Проект «Вращение графиков» (Задание проекта составлено по материалам источника [42].). Реализовать графики заданного отрезка прямой и уравнения кривой (например, «спираль Архимеда») и их вращение относительно центра прямоугольных координат. Выполнить аналогичное задание для следующих уравнений кривой «полярная роза», «улитка Паскаля», «четырехлистник». Создать видеоролик, демонстрирующий вращение графиков. Составить доклад по теме проекта, затем выложить в социальной сети, например, youtube.ru, для обсуждения. Отметим, что изучение темы «Геометрические приложения определенного интеграла» дисциплины «Математика» предполагает решение задач на нахождение объемов тел вращения. В связи с чем, выполнение заданий вышеуказанного проекта обеспечит наглядность в восприятии студентами понятий тело вращения, объем тел вращения. Для демонстрации практической значимости результатов проделанной работы в рамках осуществления междисциплинарных исследований, полезно также дополнить список заданий поиском примеров тел вращения, используемых при изготовлении деталей машин, технологического оборудования и других технических конструкций. 2. Примеры проектов, подразумевающих интеграцию информационных, математических и технических дисциплин, ориентированных на студентов факультета «Автомобильный транспорт», профиля «Организация и безопасность движения», «Автомобили, конструкционные материалы и технологии», «Эксплуатация и ремонт автомобилей» и др.: А. Используя сетевой сервис «Яндекс» (Техническое обслуживание авто в Омске) проанализировать места нахождения станций технического обслуживания (СТО). Представить статистические данные о загруженности СТО в разные календарные периоды (времена года, месяцы и т. д.), проранжировать основные проблемы обращения граждан по обслуживанию авто. На основе проведенного анализа составить прогноз технического обслуживания авто в вашем городе (например, в зависимости от времени года). В рамках заявленной темы, можно также предложить студентам создать web-сайт с рекомендациями по обслуживанию автомобилей в связи с их неисправностями. Б. Разработать обучающий контент по правилам дорожного движения (ПДД) с использованием средств ИКТ (видеообучение, презентации, анимации и др.). Провести статистический анализ данных по основным видам нарушений ПДД и их последствий. Результаты выполненных электронных междисциплинарных проектов следует оформить в виде доклада и мультимедийной презентации, и представить на студенческой научно-практической конференции. Подводя итог, отметим следующее. Цифровая экономика XXI века нуждается в новых трудовых ресурсах, которые достаточно мобильно и быстро ориентируются в цифровой среде и понимают, как использовать инновационные технологии в профессиональной деятельности. При этом, чрезвычайно важным представляется формирование, поддержание и развитие цифровых компетенций будущих инженеров, востребованных реалиями Индустрии 4.0. Во-первых, это способствует достижению соответствующего уровня конкурентоспособности инженера на современном рынке труда, эффективной его адаптации и, соответственно, мобильности в динамически меняющихся условиях. Во-вторых, владение подобными навыками обеспечит применение специалистами инструментария цифровых технологий, а значит, будет способствовать профессиональному росту инженерно-технических кадров предприятий, развитию цифрового общества и цифровой экономики в целом. Заключение 1. Для инженеров особая роль отводится наглядному представлению ТО и моделированию его функционирования в требуемых условиях, визуализации промежуточных и конечных расчетов, построению чертежей, графиков. В связи с чем, в рамках дисциплины «Информатика» следует особое внимание уделить изучению соответствующему ПО и его функционалу. Отметим, что большинство преподавателей математики также испытывают потребность в обучении работе с таким ПО. Следовательно, необходимо сотрудничество и на уровне профессорско-преподавательского состава технического университета. 2. Приведены примеры задач для практических и лабораторных занятий, предложены варианты тем и заданий для НИРС студентов, учитывающие возможность взаимной интеграции дисциплин «Математика» и «Информатика». 3. Полученные результаты представляют практический интерес для информационных и математических кафедр технических университетов, разработчиков новых рабочих учебных программ по информатике и математике, образовательных стандартов и основных образовательных программ по инженерным направлениям. Перспективы исследования заключаются в продолжении развития темы межпредметной интеграции в контексте информационно-математического подготовки будущих инженеров для развития их цифровых компетенций в течение всей жизни.