Full text
Введение Влияние цифровизации на все сферы жизни общества характеризует современный этап его развития. Под цифровизацией понимается социально-экономическая трансформация, способствующая массовому внедрению и усвоению сквозных цифровых технологий создания, обработки и передачи информации (робототехника, искусственный интеллект, квантовые технологии, технологии беспроводной связи, новые производственные технологии и другие) [1, 2]. В этой связи становится актуальной проблема трансформации высшего инженерного образования в сторону обогащения его цифровыми технологиями. Согласно федеральным государственным образовательным стандартам высшего образования (ФГОС ВО) 3+ и 3++ реализация основных образовательных программ предполагает развитие навыков самообразования у студентов с применением технологий электронного обучения, включая интерактивные и инновационные технологии обучения. Все это обуславливает поиск современных методик обучения нового поколения инженеров технического профиля, способных успешно осуществлять свою профессиональную деятельность в эпоху цифровизации. Как показывает анализ современных технологий обучения, особая роль в решении данного вопроса отводится созданию интегрированных учебных курсов, позволяющих осуществлять интеграцию знаний, умений и навыков, полученных при изучении профильной дисциплины с соответствующим набором знаний, умений и навыков по информационным дисциплинам. В частности, если речь идет о специалистах инженерно-технического профиля, интеграция знаний на уровне «информатика-математика», имеет всевозрастающее значение. И это не случайно, поскольку математика является своеобразным фундаментом, на основе которого решается огромный пласт инженерных задач технического профиля, связанных с построением математической модели, ее изучением, а также интерпретацией в рамках изучаемой проблемы. В то же время, непрерывно развивающиеся информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) позволяют оптимизировать целый ряд этапов в изучении данной математической модели с точки зрения рассмотрения множественности подходов к ее решению; анализа данных, изменения этих данных и их влияния на результат; проведения эксперимента (в том числе и на виртуальном уровне), визуализации и анализа его результатов. Обзор отечественной и зарубежной литературы Обозначенные во введении проблемы находят широкое обсуждение в научно-методической литературе как отечественных, так и зарубежных авторов. Проблема междисциплинарной интеграции в преподавании дисциплин «Математика» и «Информатика» приобрела свою особую актуальность в связи с возросшими требованиями к уровню развития цифровых компетенций выпускников инженерно-технических специальностей вузов. Работа со сложными техническими объектами, их разработка, моделирование, тестирование, исследование и т.д. требуют высокой математической подготовки и готовности к использованию средств программного обеспечения. Во вступлении к своей книге «Математика в вычислительных науках и технике» В. Ramakant отмечает огромную роль вычислительных методов и моделирования с помощью математики в области инженерных исследований, значимость её «фундаментальных концепций и знаний для проектирования, создания и обслуживания продукта или процесса, которые обеспечивают решение проблемы и удовлетворяют потребности» инженерии [3]. В зарубежных исследованиях, как правило, вместо понятия «междисциплинарный подход» к обучению используются словосочетания «междисциплинарное обучение», «междисциплинарное сотрудничество» и «междисциплинарная задача». На необходимость усиления междисциплинарности в преподавании естественнонаучных дисциплин обращает внимание в своей научной статье J. S. Gouvea и др. [4]. Коллектив авторов предлагает структуру междисциплинарного научного курса на примере дисциплины «Физика», для которого ими была создана серия междисциплинарных задач, объединяющих физику и биологию [5]. Методология сотрудничества студентов, обучающихся на разных профильных курсах (медицинские сестры и студенты в области компьютерных технологий), в основу которой поставлено совместное междисциплинарное обучение, предложена в научной работе Marqués-Sánchez и др. [6]. Проведенное авторами исследование показало, что подобный подход к обучению помимо всего прочего позволяет увеличить количество социальных связей между студентами. О. Dehqonova рассматривает междисциплинарную интеграцию в качестве средства «повышения самостоятельных творческих способностей студентов, повышения и формирования их мировоззрения и научного мышления, в конечном итоге совершенствующего весь образовательный процесс» [7]. При этом, как отмечает S. Green, именно междисциплинарное сотрудничество, объяснение междисциплинарной подоплёки различных взглядов на рассматриваемую проблему способно улучшить естественнонаучное образование [8]. По мнению Р. М. Исмагилова, современные технологии обучения, построенные на принципах междисциплинарной интеграции, должны быть направлены на то, чтобы «знания и умения от изучения смежных предметов максимально эффективно использовались в освоении конкретной дисциплины в целях формирования компетенций, позволяя обучающимся приобретать системные знания, универсальные навыки и приемы в рамках реализации компетентностного подхода» [9]. Так, Л. Васильева (и др.) рассматривает «формирование профессионально-математической компетентности студентов в сфере технической подготовки на основе интеграции математики и информатики», как цель и как процесс обучения [10]. В. И. Сафронов, изучая проблему конвергенции наук и наукоемких технологий (их объединения, взаимопроникновения), сопоставляет «характерные особенности методов математики и информатики», выявляет «наличие у некоторых из них значительного сходства» [11]. Например, сравнивая особенности метода математического и информационного моделирования, автор акцентирует внимание на том, что «замена исходного объекта его математической моделью схожа с созданием информационной модели, так как математическая модель является, в свою очередь, информационной» [12]. A. Vaninsky также указывает на общие черты объектно-ориентированного компьютерного программирования и математических систем, отмечая, что «и те, и другие оперируют свойствами и операциями над абстрактными объектам [13]. О содержательном аспекте преподавания математики и информатики в современном высшем образовании говорит в своей работе R. Fokin [14]. Karolina Dobi Barišić связывает необходимость внедрения информационно-коммуникационных технологий в учебный процесс, их широкую интеграцию в преподавание различных дисциплин, с хорошим владением современными студентами информационными и коммуникационными технологиями [15]. Участниками международной конференции «Междисциплинарность в инженерном образовании: глобальные тренды и концепции управления – СИНЕРГИЯ», проводимой в 2016 году, в качестве основы проектирования основных образовательных программ было предложено рассматривать «междисциплинарные проекты», при этом была отмечена важная роль междисциплинарного подхода в готовности выпускника «к комплексной инженерной деятельности с учетом её социальных и экологических последствий» [16]. Ю.В. Красавина, О.Ф. Шихова в результате проведенного эксперимента по внедрению в процесс обучения электронных междисциплинарных учебных проектов, показали, что «поэтапное и систематическое использование технологии на протяжении всего периода обучения в вузе обеспечивает положительную динамику качества профессиональной подготовки студентов» [17]. Согласно исследованиям М. В. Носкова и О. Е. Носковой, использование в процессе обучения комплексных индивидуальных заданий и проектов способствует повышению качества образования, мотивации студентов к обучению и формированию у них междисциплинарной профессиональной поликомпетентности [18]. Л. В. Шкерина предлагает модель разработанного ею междисциплинарного практикума, «в основе которого лежит интеграция междисциплинарных связей дисциплин учебного модуля посредством специального комплекса междисциплинарных задач и заданий, которые составляют предмет учебной и учебно-исследовательской деятельности студентов, направленной на формирование способности к междисциплинарному исследованию» [19]. В качестве «формы интеграции инженерной и математической подготовки в учебном процессе вуза» В. М. Федосеев выделяет научно-исследовательскую работу со студентами [20]. В своей научной работе Vladimir Yu. Kneller и Alexandr M. Fayans представили разработанный ими нетрадиционный междисциплинарный подход, применяемый к концепции задачи, который позволяет разработать основу для целостного объективного междисциплинарного представления знаний в любой научной области при решении междисциплинарных задач [21]. О важности развития умений студентов в исследовании и решении профессионально ориентированных интеграционных задач, как дидактической цели интеграции, говорит и коллектив авторов во главе с Л. Васильевой [22]. А. В. Коклевский отмечает существенную роль междисциплинарных задач и ситуаций в формировании у студентов «целостной системы полипрофессиональных компетенций в целях устойчивого развития» [23]. По мнению ряда ученых методистов, ключевая роль в практическом осуществлении интеграционных процессов на междисциплинарном уровне вообще, и на уровне дисциплин «Математика» и «Информатика», в частности, отводится включению в процесс обучения интегрированных учебных заданий (ИУЗ), которые объединяют математику с другими учебными предметами (В. А. Далингер, Ф. А. Рассамагина, С. А. Новоселов, Е. А. Демина, А. Г. Майбуров, О. Н. Ефремова, В. М. Федосеев и др.). ИУЗ – это «задания, при выполнении которых осваиваются дисциплинарные знания, а также личностные, межличностные компетенции и умение проектировать и создавать новые продукты и системы» [24]. В построении обучения на основе интегрированного подхода исследователи С. А. Новоселов и Ф. А. Рассамагина видят главное условие формирования творческой и профессионально-творческой компетенций будущих выпускников вузов. В основу методики формирования таких компетенций авторы ставят, в числе прочих, комплекс ИУЗ [25]. О. Н. Ефремова в качестве ИУЗ рассматривает интегративные учебные проекты по математике и информатике, как активные методы обучения при организации самостоятельной работы студентов [26]. Классификацию интегрированных учебных проектов автор проводит в зависимости от изучаемого раздела математики и функций преподавателя и студента. Основные требования, предъявляемые к интегрированным учебным проектам, представлены в работах О. Н. Ефремовой [27] и В. А. Далингера [28]. По мнению А. Г. Майбурова и Е. А. Деминой, необходима ориентация ИУЗ на организацию деятельности будущих специалистов технических профилей в направлении формирования их общих и профессиональных компетенций [29]. При этом, как отмечает В. А. Далингер, в качестве средства интеграции естественно-научных и математических дисциплин и, как следствие, решения ИУЗ, выступает математическое моделирование [30]. Проведенный анализ научно-методической литературы по теме настоящего исследования позволил выделить следующие виды ИУЗ, используемые в процессе обучения будущих инженеров технического профиля по дисциплинам «Информатика» и «Математика» в контексте их взаимной интеграции: 1) интегрированные учебные задания; 2) интегративные учебные проекты; 3) научно-исследовательские работы междисциплинарного характера. Однако не все вопросы, связанные с включением ИУЗ в процесс информационно-математической подготовки студентов технических вузов, в современной научно-методической литературе проработаны достаточно полно. Например, речь идет о влиянии ИУЗ на формирование и развитие компетенций, отвечающих видам учебной деятельности, которые соответствовали бы профессиональной деятельности будущих инженеров технических профилей в контексте цифровизации образования на современном этапе. Методологическая база исследования В основе теоретических выводов, полученных в данном исследовании, лежит изучение и анализ научно- и учебно-методической литературы, научных трудов отечественных и зарубежных ученых в области преподавания математики (М. Клайн, А. Н. Колмогоров, Л. Д. Кудрявцев, В. А. Гусев, С. М. Никольский, В. Ф. Бутузов, В. А. Далингер, С. Н. Дворяткина 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.), которые позволили раскрыть дидактический потенциал математического и информационного моделирования, в том числе с использованием ИКТ, при изучении информационных и математических дисциплин. Также данные исследования позволили выявить отсутствие на данный момент системы задач в области ИММ для студентов инженерно-технического профиля. Исследования по вопросам понимания сущности контекстно-компетентностного (В. И. Байденко, И. А. Зимняя, А. В. Хуторской, В. Д. Шадриков, А. А. Вербицкий и др.) и системно-деятельностного (Л. Г. Петерсон, Л. С. Выготский, Л. В. Занков, А. Р. Лурия, Д. Б. Эльконин, В. В. Давыдов) подходов к подготовке студентов высшей школы способствовали разработке научно-методических аспектов обучения ИММ будущих инженеров технического профиля. Результаты исследования В настоящей работе под интегрированным учебным заданием по информатике и математике будем понимать задание, сопряженное с областью технических исследований, для решения которого требуется совместное применение методологии математического моделирования и современных ИКТ, приводящее к построению информационно-математической модели и последующей работы с ней. Таким образом, решение ИУЗ по информатике и математике для инженеров технического профиля следует осуществлять на основе информационно-математического моделирования (ИММ). Бабич В. Н. под информационно-математическим моделированием понимает «процесс построения формализованного образа объекта познания, воспринимаемого по определенным свойствам как аналог этого объекта, с группами функций исследования, на основе обработки и анализа системно обоснованного информационного массива, отображающего все аспекты организации и функционирования объекта путем интеграции процедур математической формализации, геометризации и информационно-технологической поддержки с целью получения новых знаний об объекте, направленных на решение соответствующих задач» [31]. Опираясь на специфику применения ИММ, методов и средств ИКТ в профессиональной деятельности инженера технического профиля, выделим две группы ИУЗ по информатике и математике для студентов инженерно-технических специальностей. К первой группе ИУЗ отнесем задания, выполнение которых связано с деятельностью, коррелирующей с профессиональной деятельностью инженера, а во вторую – задания, ориентированные на деятельность общего характера. При этом виды деятельности, лежащие в основе типологизации заданий второй группы могут быть, как задействованы на некотором этапе выполнения заданий первой группы ИУЗ, так и самостоятельно входить в состав ИУЗ из первой группы. Например, производственно-технологическая деятельность, являясь основополагающей деятельностью инженера, в то же время сопряжена с остальными видами его профессиональной деятельности. Первая группа ИУЗ. 1.1. ИУЗ на инженерное прогнозирование (предсказание технических процессов на основе данных наблюдений за фактически развивающимися инженерно-техническими процессами; применяются при необходимости учета тенденций развития техники, технологии и организации производства, эксплуатации и ремонта технического объекта). 1.2. ИУЗ на конструирование технических объектов (создание моделей технических объектов с составлением их проектов (графических изображений, сопровождающихся техническими, экономическими и другими расчетами) с помощью ИКТ). 1.3. ИУЗ на экспериментирование (непосредственно моделирование, проверка адекватности моделей технического объекта с помощью ИКТ, интерпретация полученных результатов и их корректировка). Вторая группа ИУЗ. 2.1. ИУЗ на вычисление (проведения трудоемких расчетов при работе с большими массивами данных с применением средств ИКТ). 2.2. ИУЗ на аналитику данных (сбор, обработка, изучение и интерпретация данных о техническом объекте с применением ИКТ). По мнению Э.Ф. Зеера, «деятельностно-ориентированная парадигма образования имеет отчётливо выраженную функционалистскую направленность …» [32, с. 21]. А потому процесс вузовской подготовки компетентного конкурентоспособного специалиста предполагает, что в его основе должны быть заложены особенности будущей профессиональной деятельности. Так как управление техническим объектом является значимой профессиональной функцией инженера, считаем необходимым отразить это в ИУЗ. На основе аналитического обзора ФГОС ВО 3+ и 3++ инженеров технического профиля выявлены следующие виды профессиональной деятельности: научно-исследовательская, производственно-технологическая, проектно-конструкторская, организационно-управленческая. В этой связи, в основу разработанной типологии ИУЗ по информатике и математике положен функциональный признак задачи, который «отражает функцию управления техническим объектом в выделенных видах профессиональной деятельности» будущих инженеров технического профиля [33, с. 50]. Рассмотрим типологию ИУЗ по информатике и математике в соответствии с видом профессиональной деятельности будущего инженеров технического профиля. 1. Для организационно-управленческой деятельности характерно ИУЗ на инженерное прогнозирование. Пример 1 (ИУЗ на инженерное прогнозирование). Прогнозирование энергопотребления является важной инженерной задачей, которая дает необходимую информацию коммунальным предприятиям и помогает им повышать производительность своих технических систем с точки зрения производительности и эффективности. Рекомендуется выполнить прогнозирование в цифровом сервисе Google Colab, который позволит эффективно выполнить анализ энергопотребления на основе достаточно большого набора данных. С Web-сайта Machine Learning Repository (https://archive.ics.uci.edu/ml/datasets/Power+consumption+of+Tetouan+city#) был загружен набор данных, содержащий данные об энергопотреблении трех различных распределительных сетей г. Тетуан, расположенного на севере Марокко. 2. Для проектно-конструкторская деятельности характерно ИУЗ на конструирование технических объектов. Пример 2 (ИУЗ на конструирование технических объектов). В электронной таблице Excel создать модель зарядки для робота. Пусть для простоты зарядка будет состоять из 2-х упражнений: поднятие рук в стороны, приседание. Для решения задачи необходимо определить параметры тела робота, которые будут представлены в табличной форме в виде координат отрезков необходимых частей тел. На основе полученных табличных данных необходимо построить точечные диаграммы, которые будут визуализировать физическую зарядку робота. Для первого упражнения следует создать изображение в фас, а для второго – в профиль [34]. 3. Для научно-исследовательской деятельности характерно ИУЗ на экспериментирование. Пример 3 (ИУЗ на экспериментирование). На основании опытных данных выяснить, какой из факторов (масса автомобиля, количество колес автомобиля, площадь контакта колеса автомобиля на дорогу и др.) в наибольшей степени оказывают влияние на удельное давление автомобиля на дорожное покрытие. 4. Для производственно-технологической деятельности характерны ИУЗ на вычисление и ИУЗ на аналитику данных. Пример 4 (ИУЗ на вычисление). В интегрированной среде разработки любого языка программирования высокого уровня создайте приложение «Калькулятор расчета оплаты за электроэнергию». Пример 5 (ИУЗ на аналитику данных). На основании результатов измерения прочности древесины в зависимости от такого показателя, как предел прочности при сжатии вдоль ее волокон, сделать вывод об оптимальном количестве данных, необходимых для того, чтобы сделать достоверные выводы о влиянии данного показателя на прочность. Как показывает практика и многочисленные исследования в области профессионального образования, умение решать задачи в разных сферах человеческой деятельности – одно из важнейших познавательных действий любого специалиста, в том числе инженера. Моделирование относится в особую группу универсальных учебных действий, которые, в широком смысле, определяют инвариантную основу способности обучаемого к обучению, саморазвитию и самосовершенствованию. В этой связи, ИММ также является универсальным учебным действием будущего инженера в техническом университете. Впоследствии, выпускник вуза, начав свою профессиональную деятельность, сможет на личном опыте убедиться в необходимости ИММ в решении задач, которые будут поставлены перед ним в его работе в эпоху цифровизации. Таким образом, можно считать, что действия по выполнению ИММ являются одним из компонентов профессиональной компетентности инженера технического профиля. Заключение В результате проведенного исследования были сформулированы следующие выводы. 1. Показана значимость интеграционных процессов в эпоху цифровизации инженерного образования, в том числе национального, в формировании у обучаемых представлений о роли ИММ в решении инженерно-технических задач. Тем самым обосновано, что в основу обучения специалистов инженерно-технического профиля целесообразно ставить интегрированный подход, способствующий взаимодействию фундаментальных технических и информационных дисциплин. В качестве средства реализации интегрированного подхода к обучению студентов выступают ИУЗ по математике и информатике. 2. Одним из главных цифровых навыков инженера технического профиля является умение использовать ИММ. Вследствие чего, в основу ИУЗ, предлагаемых студентам, обучающимся на инженерных специальностях технических вузов, следует ставить ИММ. 3. Предложено понятие интегрированного учебного задания по информатике и математике, обогащающее понятийный аппарат теории учебных задач и междисциплинарный подход к профессиональной подготовке будущих инженеров технического профиля. Выделена типология ИУЗ по информатике и математике в соответствии с видами профессиональной деятельности инженеров технического профиля. К первой группе ИУЗ относятся ИУЗ на инженерное прогнозирование, техническое конструирование и экспериментирование; ко второй – ИУЗ на вычисление и аналитику данных. Перспективы исследования заключаются в продолжении исследования и развития темы межпредметной интеграции в контексте информационно-математической подготовки будущих инженеров технического профиля для дальнейшей систематизации задач ИММ и сопряжения соответствующих современных средств ИКТ для решения этих задач в условиях интенсивного темпа цифровизации и суверенитета России.