Pedagogical technology for the formation of inventive competence to stimulate the digital transformation of the construction industry

Введение / Introduction

До недавнего времени считалось, что строительная отрасль – одна из менее всего «оцифрованных» в промышленности несмотря на то, что значимость задачи цифровизации отечественной экономики приобрела весьма высокий уровень в соответствии с национальной программой «Цифровая экономика России: программа развития» [1].

Вместе с этим в «Стратегии развития строительной отрасли Российской Федерации до 2030 года» [2] отмечается: «Готовность специалистов строительной отрасли к эффективной работе в цифровой информационной среде с использованием сквозных технологий информационного моделирования, навыки и знания в области генерации и использования высокотехнологичных цифровых решений становятся одними из ключевых требований».

Таким образом, существует необходимость кадрового обеспечения процесса цифровой трансформации строительной отрасли за счет подготовки выпускников вузов архитектурно-строительного профиля, способных решать комплексные профессиональные задачи, требующие применения цифровых технологий в сочетании с технологиями инженерного творчества.

Цель статьи – на основе анализа трендов развития процесса цифровизации строительной отрасли в России определить возможности для его активизации с помощью педагогических инструментов: разработать педагогическую технологию формирования изобретательской компетентности выпускников вузов архитектурно-строительного профиля для активизации цифровой трансформации строительной отрасли.

Для достижения цели статьи авторами решены следующие задачи:

‒          выполнен анализ современных цифровых технологий для определения трендов развития процесса цифровизации отечественной строительной отрасли;

‒          определены перспективы их применения в строительстве в ближайшее время;

‒          обоснованы теоретические подходы, и разработана педагогическая технология, направленная на формирование у выпускников вузов архитектурно-строительного профиля изобретательской компетентности, способствующей активизации процесса цифровой трансформации строительной отрасли.

Обзор литературы / Literature review

Определим базовое понятие: под цифровизацией объекта (процесса) понимается трансформация данных об объекте (процессе) из аналоговой формы в цифровую с использованием цифровых технологий с последующим автоматизированным анализом цифровых данных и принятием оптимального (по определенным критериям) решения для его улучшения. Из доклада, подготовленного коллективом Института статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ [3], следует, что цифровизация – это процесс внедрения цифровых технологий в различные сферы жизни для повышения ее качества.

Закономерность вытеснения человека из технологических цепочек проявляется в различных производственных сферах: авиации, машиностроении, банковском деле и др. Строительная отрасль не стала исключением, постепенное замещение производственных функций человека осуществляется путем автоматизации ряда технологических процессов, внедрением роботов и других цифровых технологий.

А. Х. Байбурин и Н. В. Кочарин в работе, посвященной цифровизации строительной отрасли [4], отмечают три принципиальные производственные задачи, которые решаются при внедрении цифровых технологий в строительстве:

‒          сокращение времени принятия решений (Time-to-Decision, T2D);

‒              сокращение времени выполнения/реализации проектов (Time-to-Execution, T2E);

‒          сокращение времени вывода продукции на рынок (Time-to-Market, T2M).

В соответствии с законом необходимого разнообразия Уильяма Эшби [5], невозможно управлять сложными процессами при помощи простой системы. Сложная система может управляться только еще более сложной системой. Современные строительные объекты, будучи сложными системами, для эффективного управления требуют применения комплексных решений, учитывающих множество факторов. В отечественном строительстве необходимость ускоренной цифровизации технологических цепочек обусловлена достаточно низкой производительностью труда. Так, уровень производительности труда в среднем по промышленности в РФ составляет 26% от уровня США, а в жилищном строительстве – 28%. Такие страны, как Германия, Швеция, Норвегия, Финляндия, по производительности труда в строительном комплексе опережают Россию в 2–3 раза, согласно данным из работы А. Х. Байбурина и других исследователей, посвященной надежности организационно-технологических систем [6]. Одна из причин недостаточно высокой производительности заключается в сложности традиционной организации строительного производства, насыщенного большим количеством участников.

Одним из наиболее важных и перспективных для развития элементов цифровизации в строительстве является цифровой двойник – цифровая «умная» модель объекта, обеспечивающая достоверность его функционирования в пределах ± 5%, по данным К. М. Крюкова и А. В. Шаповалова [7], и учитывающая особенности конкретного производства, а также технологии изготовления.

Цифровой двойник, непрерывно снабжаемый разнообразными данными (в зависимости от набора параметров этапов жизненного цикла объекта), способен отображать его состояние в режиме реального времени. Такая модель позволяет фиксировать все данные о материалах, особенностях конструкции, произведенных операциях и т. п.

В таблице 1 представлен ранжированный перечень (начиная от наиболее массово применяемых) цифровых технологий, отражающих тренды развития процесса цифровизации отечественной строительной отрасли. Для оценки спектра «возможностей» данных технологий в таблице 1 показан ряд задач, который возможно решить с помощью цифровых технологий (указаны знаком «+»). В качестве примера приведены некоторые актуальные задачи, характерные для этапа возведения строительного объекта, частично исследованные Т. Н. Кисель и Ю. С. Прохоровой [8].

По данным Минстроя России, применение цифровых технологий, в частности BIM-технологий, позволит снизить до 40% вероятность ошибок и погрешностей в проектной документации в сравнении с традиционными методами проектирования; на 20–50% сократит время на разработку проекта, а также до шести раз уменьшит время на его проверку; до 90% сократит сроки координации и согласования проекта [9].

Согласно выводам аналитических исследований компании “Concurator” [10], одним из путей осуществления масштабной цифровой трансформации строительной отрасли является формирование сети региональных центров обучения и консультирования по вопросам внедрения цифровых технологий в строительстве, в том числе на базе профильных вузов.

В 2022 году предпринята масштабная попытка решить задачу формирования у выпускников вузов востребованных цифровых компетенций. По решению Министерства образования и науки РФ [11] в 52 российских регионах в 114 университетах, которые являются участниками или кандидатами программы «Приоритет 2030», реализуется образовательный проект «Цифровая кафедра», направленный на освоение студентами цифровых компетенций в области создания алгоритмов и программ, пригодных для практического применения, в объеме программы дополнительного профессионального образования. В настоящее время по всей стране реализуется порядка 500 таких программ. Необходимо отметить, что, несмотря на очевидную позитивную цель данного проекта, обеспечить отраслевую привязку результатов обучения для всех программ будет достаточно сложно.

Таблица 1

Цифровые технологии современного строительства и задачи
на этапе возведения строительного объекта

Проведенный анализ современных цифровых технологий, а также целей и задач ряда национальных проектов [12] («Цифровая экономика Российской Федерации», «Образование», «Жилье и городская среда») позволяет сделать вывод о том, что образовательные организации, в частности вузы архитектурно-строительного профиля, должны ориентироваться на подготовку выпускников (бакалавров, магистров, специалистов), обладающих компетентностью такого уровня, который позволит им решать комплексные профессиональные задачи, требующие нестандартных решений, сопряженных с инструментами инженерного творчества, а также применения цифровых технологий. Среди таких комплексных задач можно отметить: создание и обновление жилого фонда; формирование эффективных структур управления; повышение уровня комфортности среды жизнедеятельности человека; развитие архитектурной выразительности и повышение надежности современных зданий и сооружений и многие другие.

Кроме этого в действующих образовательных стандартах для выпускников вузов архитектурно-строительного профиля предусмотрено формирование компетенций, связанных с применением цифровых технологий в профессиональной деятельности. Например, в ФГОС ВО по подготовке магистров по направлению подготовки 08.04.01 «Строительство» [13] содержится компетенция ОПК-2: способность анализировать, критически осмысливать и представлять информацию, осуществлять поиск научно-технической информации, приобретать новые знания, в том числе с помощью информационных технологий.

Схожие требования содержатся также в профессиональных стандартах. Так, в профессиональном стандарте «Специалист в области инженерно-технического проектирования для градостроительной деятельности» [14] одним из требований является владение необходимыми знаниями в области современных средств автоматизации в сфере градостроительной деятельности, включая автоматизированные информационные системы.

Вышеизложенное позволяет указать на необходимость разработки новых педагогических подходов для студентов вузов архитектурно-строительного профиля, которые обеспечат формирование метакомпетенций.

Метакомпетенция является сложны и комплексным понятием, имеющим разнообразные трактовки. Так, согласно ряду отечественных исследований:

‒          в работе Ю. Г. Татура [15] метакомпетенция определяется как «сложное, интегрированное понятие, характеризующее способность человека реализовывать весь свой потенциал (знания, умения, навыки и личностные качества) для решения профессиональных и социальных задач в определенной области»;

‒          в статье Т. Н. Каменевой и В. А. Шевырева [16] метакомпетенции «являются главным фактором эффективной работы в “режимах с обострением”, характерных для существующих социально-экономических систем»;

‒          в исследовании Ю. В. Рыжова [17] метакомпетенции «нацелены на решение новых, очень сложных или уникальных задач»;

‒          в статье Ш. Каххарова [18] метакомпетенции – это «надпрофессиональные компетенции, которые становятся критически важными в условиях высокой неопределенности при высокой динамике изменений и постоянной турбулентности»;

‒          в обзоре, выполненном А. Аласкаром и С. А. Слепцовой [19], резюмируется, что метакомпетенции – это «полифункциональные качества личности, которые обеспечивают способность эффективного освоения новой информации с целью конструктивного взаимодействия с социальной средой и направлены на решение всевозможных жизненных задач»;

‒          в исследовании В. П. Игнатьева и А. А. Дарамаевой [20] метакомпетенции «необходимы для работы в изменяющихся условиях при решении нестандартных производственных задач, требующих нетривиальных решений»;

‒          в статье О. А. Шабанова [21] метакомпетенции отличает: «направленность на решение новых задач; проявление в новых условиях; обобщенный характер; ориентированность на личность».

В зарубежных исследованиях последнего времени под метакомпетенциями нередко понимают «мягкие» навыки (soft skills), которые также определены для выпускников инженерных университетов не вполне однозначно:

‒          в статье турецких авторов А. Т. Атламаз, Е. Бенгю и других [22] в перечне «мягких» навыков, в порядке их востребованности у работодателей, определены: умение решать проблемы; управление собственным временем; любознательность и креативность;

‒          в работе индийских ученых А. К. Г. Кришна, П. К. Баша и других [23] среди наиболее востребованных «мягких» навыков отмечены: критическое мышление и креативность; способность решать профессиональные задачи в сложных условиях, коммуникативные навыки;

‒          в статье исследователя Т. Т. А. Нго из Вьетнама [24] выявлены «мягкие» навыки выпускников университета, позволяющие им успешно трудоустроиться в промышленных отраслях: коммуникативные навыки; работа в команде и способность к сотрудничеству; лидерство; управление собственным временем и др.;

‒          в статье колумбийских ученых М. П. Гарсиа-Читива и Х. К. Кореа [25] определены наиболее востребованные «мягкие» навыки для исследователей в аспирантуре: создание или генерация идей, а также проектов; лидерство; анализ большого объема данных;

‒          в статье исследователя А. А. Хуссейна из Ирака [26] «мягкие» навыки включают в себя: командную работу, адаптивность, эмоциональный интеллект и способность осуществлять уверенную деловую коммуникацию.

Из представленного обзора видно, что для формирования метакомпетенций необходимы междисциплинарные педагогические исследования, требующие применения новых подходов и технологий, развивающих у выпускника вуза целый спектр надпрофессиональных компетенций, важнейшей из которых является профессиональная креативность.

На этапе производственной деятельности наличие метакомпетенций у специалистов строительного комплекса активизирует процессы цифровой трансформации отрасли, поскольку, как было показано ранее, цифровые технологии обладают рядом важных преимуществ для решения сложных отраслевых задач и совершенствования производственных процессов. По нашему мнению, перспективным направлением для формирования метакомпетенций является педагогическая технология, направленная на формирование изобретательской компетентности выпускника вузов архитектурно-строительного профиля.

Технологический подход, активно применяемый в педагогике высшей школы, возник в результате изучения дидактических систем, в которых рассматривается степень взаимодействия преподавателя и студента, а также соответствие целей обучения целям студента, активность и уровень мотивации студента в процессе обучения.

Согласно исследованиям А. А. Андреева, педагогическую технологию следует рассматривать как «систему методов, специфичных средств и форм обучения для тиражируемой реализации заданного содержания образования» [27].

А. С. Белкин анализирует современную технологию обучения как «системный метод проектирования, реализации, оценки, коррекции и последующего воспроизводства процесса обучения», который характеризуют следующие отличительные особенности: проектирование педагогических технологий осуществляется не на основе обобщения педагогического опыта, а на основе научного познания практики обучения; образовательная технология отличается воспроизводимостью, устойчивостью результатов, которые не должны зависеть от условий обучения и других факторов; педагогическая технология ориентируется не на предполагаемые результаты, а на четко описанные и заданные заранее результаты» [28].

Э. Н. Коротков считает, что педагогическая технология представляет собой, с одной стороны, «системное, целостное знание проектирования и организации всего процесса обучения на основе развернутой последовательности точно определенных педагогических целей, а с другой стороны, научно организованный, развернутый во времени процесс обучения, в котором проектируется и реализуется вся система взаимосвязей между целями, содержанием, методами, средствами, формами обучения, системой контроля, оценкой и коррекцией учебной и преподавательской деятельности» [29].

Таким образом, педагогическая технология должна быть: воспроизводима, устойчива и иметь четко сформулированные результаты. Все эти признаки, характеризующую педагогическую технологию, будут раскрыты ниже.

Методологическая база исследования / Methodological base of the research

Методологической базой исследования послужил ряд научных трудов.

Результаты исследований К. А. Абульхановой-Славской [30] обеспечили возможность рассматривать проблему цифровизации в отечественной промышленности через призму особенностей российского менталитета, для которого характерно преодолевать комплексные проблемы, используя творческий потенциал работников отраслевых предприятий и его широкие практические возможности, частным случаем которого является отраслевое изобретательство. Научные результаты С. И. Архангельского позволили разработать технологию с учетом основных закономерностей учебного процесса в вузе. Работа Н. Ф. Талызиной [32] позволила использовать ряд положений «деятельностной» теории учения в процессе подготовки кадров для определенных профессий. На основе материалов диссертации И. В. Богомаз [33] был учтен ряд особенностей (возможностей и ограничений) реализации технологического подхода в вузовской подготовке строителей. Из исследования И. В. Роберт [34] приняты методические возможности электронных образовательных ресурсов для формирования необходимого образовательного контента в предлагаемой технологии, а из работы Т. Ш. Шихнабиевой [35] – алгоритмизированный подход к контролю знаний на основе комплекса автоматизированных тестов различной сложности. Труды в области теории компетентностного подхода в высшем образовании
Э. Ф. Зеера и Д. П. Заводчиков [36], а также И. А. Зимней [37] позволили уточнить структуру и особенности изобретательской компетентности на основе содержания универсальных компетенций выпускников вузов. На основе результатов научной школы И. В. Роберт [38] была применена теория информационно-образовательной среды вуза для проектирования образовательного кластера инженерного творчества.

Исследование Н. П. Абовского [39], посвященное основам изобретательской деятельности у студентов строительных специальностей, позволило внести ряд методических дополнений в разработанную технологию. Работа Г. А. Альтшуллера [40], посвященная основам классической теории решения изобретательских задач (ТРИЗ), а также пособие М. А. Орлова [41], раскрывающее некоторые методические особенности одного из ее современных вариантов – Модерн ТРИЗ, позволили наполнить разработанную технологию наиболее «сильными» изобретательскими методиками. Исследование А. В. Коротича и Н. И. Фомина [42] позволило применить сущность «прямой» изобретательской задачи в строительстве и архитектуре для формирования элементов методической основы разработанной технологии. Статья Н. И. Фомина и Л. И. Мироновой [43] позволила выбрать организационный формат в виде образовательного кластера для практической реализации предлагаемой технологии. Исследования В. П. Беспалько [44] позволили применить теорию таксономического подхода для эмпирической уровневой оценки сформированности компетентности студентов.

В процессе решения задач исследования также применялся анализ учебных программ и учебно-методических материалов для подготовки выпускников бакалавриата, специалитета и магистратуры вузов архитектурно-строительного профиля, а также частные эмпирические методы: наблюдение, анкетирование и педагогические измерения.

Результаты исследования / Research results

В Институте строительства и архитектуры Уральского федерального университета (ИСА УрФУ) разработана педагогическая технология, применение которой направлено на формирование изобретательской компетентности и позволяет студентам:

‒      выявить причинно-следственные связи экспериментально наблюдаемых или теоретически анализируемых фактов;

‒         самостоятельно применить методы и инструменты отраслевого изобретательства;

‒      создать новые технические решения, удовлетворяющие критериям патентоспособности, по различным перспективным направлениям развития строительства и архитектуры, включая решения с применением цифровых технологий.

Для практической реализации разработанной педагогической технологии в ИСА УрФУ был создан образовательный кластер инженерного творчества. В нем изучают основы изобретательства студенты разных уровней подготовки (бакалавриат, магистратура) и в целях профориентации школьники старших классов. В табл. 2 представлена структура учебной деятельности, осуществляемой в рамках данного кластера.

Таблица 2

Структура учебной деятельности в рамках образовательного кластера
инженерного творчества ИСА УрФУ

Для оценки сформированности изобретательской компетентности у студентов как совокупности знаний, умений и практического опыта был применен уровневый подход (низкий, средний, базовый и высокий). В качестве примера в табл. 3 приведено содержание компонентов изобретательской компетентности у выпускников магистратуры ИСА.

Реализация разработанной педагогической технологии основана на применении комплекса учебно-методических материалов, базовым элементом которого является авторский учебник по отраслевому изобретательству, который получил название «Разработка и защита технических решений в строительстве». Ключевым элементом технологии формирования изобретательской компетентности является алгоритм дивергентного (эволюционного) формирования патентоспособного решения в области архитектуры и строительства, разработанный на основе более чем 10-летнего опыта работы одного из авторов со студентами Института в области отраслевого изобретательства и получения совместно с ними более 30 патентов на изобретения и полезные модели. Алгоритм дивергентного формирования патентоспособного решения, составленный на алгоритмическом языке ДРАКОН, представлен на рисунке.

В соответствии с представленным алгоритмом разработка нового патентоспособного решения происходит в результате выявления изобретателем необходимости устранения недостатков в существующих решениях. Если применяемые решения не имеют значимых технических недостатков, то оснований для запуска процессов отраслевого изобретательства, как правило, не имеется или они избыточно трудоемки. Устранение выявленного недостатка – это задача изобретения или полезной модели, в зависимости от уровня полученного решения. Процесс решения самой изобретательской задачи в алгоритме не детализирован, поскольку описанию содержаний конкретных изобретательских методик и приемов из существующего арсенала изобретателя посвящено значительное количество разнообразной литературы.

Таблица 3

Содержание уровней сформированности изобретательской компетентности
выпускника магистратуры ИСА УрФУ (фрагмент)

Алгоритм дивергентного (эволюционного) формирования патентоспособного решения в строительстве

Опыт подготовки будущих строителей и архитекторов в ИСА УрФУ показал, что изобретательство рационально использовать для решения сложных и фронтирных отраслевых задач, значительная часть которых связана с цифровыми технологиями и объективной необходимостью их масштабного применения. Через образовательные процессы формирования изобретательской компетенции студенты получают не только комплексное представление о возможностях цифровых технологий, осуществляя информационный или (как частный случай) патентный поиск, но также предлагают оригинальные и промышленно применимые варианты их практического использования. Такой подход к изучению возможностей цифровых технологий через их применение в патентоспособных технических решениях, по нашему мнению, способствует активизации процесса цифровой трансформации строительной отрасли.

В табл. 4 представлены примеры изобретений с элементами цифровизации в области строительства, разработанные студентами и преподавателями ИСА УрФУ в процессе подготовки магистров в образовательном кластере инженерного творчества.

Таблица 4

Изобретения с элементами цифровизации, разработанные студентами
и преподавателями ИСА УрФУ

Примечание. Фамилии авторов-студентов выделены курсивом.

По мере внедрения разработанной технологии ожидается не только рост запатентованных решений, в которых предусмотрена цифровизация строительных процессов, но также расширение спектра цифровых технологий, которые будут использованы для достижений технических результатов, заявленных изобретателями.

Заключение / Conclusion

В статье представлен вариант решения задачи масштабной цифровой трансформации строительной отрасли при помощи современных педагогических подходов. Разработанная технология формирования изобретательской компетентности у выпускников вузов архитектурно-строительного профиля позволяет также обеспечить преодоление такой важной отраслевой проблемы, как ускоренное наращивание технологического суверенитета, за счет разработки и внедрения новых решений.

Как показывает наш опыт обучения отраслевому изобретательству, компетентность в области изобретательства мотивирует выпускников не только осуществлять поиск решений актуальных и сложных проблем строительной сферы, используя современные цифровые инструменты, но также побуждает их к поиску противоречий и общих закономерностей развития строительных систем и переходу, таким образом, на решение научных задач. Так, внедрение разработанной технологии позволило заметно увеличить количество аспирантов в Институте строительства и архитектуры. Важным элементом диссертационных исследований у них становится разработка новых патентоспособных технических решений для практической реализации полученных научных результатов.

Дальнейшие шаги по развитию технологии формирования изобретательской компетентности авторы видят в разработке и внедрении в Институте строительства и архитектуры Уральского федерального университета различных образовательных цифровых сервисов, позволяющих дистанционно развивать изобретательский опыт студентов, а также самостоятельно разрабатывать элементы заявки на выдачу патента с использованием искусственного интеллекта.