Full text

Введение / Introduction

 

Техническое образование сталкивается с задачей подготовки студентов к работе в быстро меняющихся отраслях. Традиционные методы обучения часто не развивают практическое мышление, инновационность и адаптивность. Современная система высшего образования, как отмечает И. А. Юмашева, характеризуется стремлением к соответствию потребностям российского и мирового рынка труда, поэтому актуальным становится применение практико-ориентированного подхода к развитию профессиональных компетенций будущих специалистов [1]. Анализируя практико-ориентированные модели инженерного образования, В. С. Белгородский и соавт. выделяют общий подход к их модернизации. По мнению авторов, теоретические знания, приобретаемые в процессе обучения, должны применяться для решения задач, максимально приближенных к реальным профессиональным условиям, что способствует согласованию образовательной деятельности с инженерной практикой, а также установлению эффективной взаимосвязи между программами высшего образования и производственной сферой [2].

Отраслевые конкурсы, такие как хакатоны, робототехнические соревнования или инженерные чемпионаты, предоставляют динамичную платформу для формирования и проверки компетенций, сотрудничества с профессионалами и согласования учебных программ с запросами индустрии. Целью исследования является обоснование необходимости системного включения конкурсов в педагогические условия для повышения эффективности технического образования. Задачи работы включают анализ существующих теорий и практик внедрения отраслевых чемпионатов в образовательный процесс в высшей школе, разработку на их основе структуры практико-ориентированной образовательной среды и рассмотрение положительного опыта интеграции чемпионатов профессионального мастерства в образовательный процесс на примере траекторий радиационных и информационных технологий по биоинженерному направлению подготовки.

Теоретическая значимость исследования заключается в разработке инновационной методологической модели организации инженерной подготовки, объединяющей трансдисциплинарные высокотехнологичные направления с практико-ориентированным обучением. На примере биоинженерного образования продемонстрирована эффективность интеграции конкурсных задач, что способствует формированию профессиональных компетенций у обучающихся. Данный подход может быть адаптирован для других образовательных программ и подтверждает гипотезу о позитивном влиянии проектно-соревновательных форматов на качество инженерной подготовки через активизацию проблемно-ориентированного обучения и усиление мотивации к освоению междисциплинарных навыков.

 

Обзор литературы / Literature review

 

Участие в отраслевых чемпионатах требует комплексной подготовки, для обеспечения которой необходимо создать специфические педагогические условия, обоснованные научными теориями и практиками.

Как отмечает В. Г. Мартынов [3], современная инженерная деятельность рассматривается как многоаспектная система разделения труда и открытая динамическая система, интегрированная в контекст смежных видов деятельности. В рамках данной парадигмы ключевым элементом становится переход от пассивного усвоения знаний к активному конструированию компетенций через решение практических задач. Такой подход, основанный на принципах конструктивизма, напрямую коррелирует с логикой заданий отраслевых чемпионатов, где студенты не просто применяют теорию, но формируют знания в процессе поиска инновационных решений.

Исследования И. А. Погребной и С. В. Михайловой [4] подтверждают необходимость целенаправленного формирования у студентов технических вузов навыков, выходящих за рамки узкопрофессиональных. К таким навыкам можно отнести, например, системное мышление, управление проектами, экосистемное взаимодействие. Чемпионаты и конкурсы профессионального мастерства, выступая эффективным инструментом интеграции теории и практики, раскрывают свой педагогический потенциал через решение актуальных отраслевых задач. Это не только углубляет предметные знания, но и развивает критический анализ, адаптивность, а также навыки, выходящие за рамки специализации.

Данный процесс напрямую соотносится с положениями социальной теории обучения Э. Венгера [5], согласно которой профессиональные компетенции формируются в «сообществах практики» — группах, объединенных общей деятельностью. Чемпионаты, выступая такими сообществами, создают среду для развития навыков, таких как командная работа, коммуникация и лидерство. Данные элементы не только отражают логику социальной теории обучения, но и способствуют адаптации студентов к стрессу и конкуренции, характерному для современных профессиональных реалий.

Теория социального партнерства К. В. Харченко [6] подчеркивает, что взаимодействие образовательных учреждений с работодателями и производственными структурами позволяет актуализировать содержание подготовки. Такое сотрудничество не только обеспечивает соответствие подготовки требованиям чемпионатов, но и формирует у студентов понимание рыночных запросов. Примером эффективности такого подхода является международный конкурс “Solar Decathlon”, организованный Министерством энергетики США (DOE), где команды проектируют энергоэффективные здания с нулевым углеродным следом, объединяя новаторские инженерные подходы, экологические принципы и социальную ответственность. Анализ 22-летней истории конкурса (2002–2024 годы) демонстрирует его роль в формировании кадрового потенциала для строительной отрасли: более 40 000 участников из 40 стран, включая финалистов 2024 года, впоследствии заняли ключевые позиции в архитектурных бюро, инжиниринговых компаниях и ESG-секторе, что подтверждается данными «Карьерной карты Green Buildings» [7]. Ключевой педагогический прорыв конкурса заключается в междисциплинарном подходе, объединяющем STEM-компетенции (науку, технологии, инженерию, математику) с навыками коллаборации и управления проектами.

Интеграция подготовки к профессиональным соревнованиям требует их структурного встраивания в модули образовательных программ, а не выделения в качестве дополнения к основному содержанию обучения. Такой подход предполагает синтез аудиторной работы с онлайн-программами, что позволяет сохранить структурную четкость учебного процесса, одновременно обеспечивая гибкость, о чем свидетельствует исследовательская работа Т. С. Лин, посвященная сравнению эффективности традиционного и онлайн-обучения [8]. Однако следует учитывать, что очные занятия остаются критически важными для освоения большинства инженерных дисциплин благодаря возможности мгновенной обратной связи и прямому взаимодействию с преподавателем, что подтверждается исследованиями Н. Т. Т. Тай и соавторов [9].

В последние годы как российские, так и зарубежные авторы сходятся во мнении, что новые наукоемкие формы и методы организации учебного процесса, в частности цифровые двойники, как показывает работа В. В. Вихман [10], являются наиболее развивающейся интегрированной формой подготовки инженеров. Пример применения цифровых двойников показан также в исследовании Ф. Гук с командой [11]: технология использовалась для разработки дистанционных лабораторных практикумов по мехатронике. Реализация виртуальных аналогов оборудования позволила студентам отрабатывать навыки проектирования и отладки сложных систем без физического доступа к лабораторным стендам, что особенно актуально в условиях ограниченных ресурсов. Для подготовки к чемпионатам это означает внедрение VR/AR-тренажеров, позволяющих отрабатывать сложные операции без риска повреждения оборудования, использование цифровых платформ (тайм-трекеров, систем автоматизированной оценки) для симуляции конкурсных сценариев, доступ к онлайн-ресурсам (базам данных, видеоархивам чемпионатов), что расширяет возможности самообучения. В исследовании Г. Ламбропулоса и А. Сидиропулоса [12] также подчеркивается, что геймификация зарекомендовала себя как эффективный подход к обучению.

Согласно теории К. Роджерса, как отмечает А. Ф. Сиразеева [13], эффективное обучение должно учитывать личностные особенности, интересы и карьерные цели студентов. В условиях чемпионатов, где участники часто специализируются в узких направлениях, индивидуализация реализуется через диагностику стартового уровня компетенций и составление персонального плана развития, гибкие образовательные траектории с возможностью выбора модулей (например, углубленное изучение робототехники или графического дизайна), а также формирующее оценивание по технологии П. Блэка и Д. Уильяма [14], при котором обратная связь используется для коррекции подготовки. Эксперимент А. Авлес [15] доказал, что автономия студентов в выборе проектов при поддержке преподавателей повышает мотивацию и вовлеченность.

За успешным развитием регионов и страны стоит нацеленность на повышение конкурентоспособности образования в глобальном масштабе, ключевым условием которого, как отмечает Ю. М. Казаков с группой исследователей, является усиление интеграции образования с наукой и промышленным сектором [16]. На пути выстраивания эффективного взаимодействия университетов со сферой производства Е. В. Кудряшова и соавт. [17] выделяют системные проблемы, такие как эпизодический характер взаимодействия, отсутствие согласованных стратегий и расхождение в понимании наборов компетенций кадров. Улучшению ситуации будет способствовать формирование «предпринимательской культуры» в университете, нацеленной на понимание ценностей и мотивации каждой из сторон взаимодействия. Отметим, что подобное понимание приходит в контексте чемпионатов, так как индустрия задает актуальные стандарты и тренды. Примером успешной реализации подобной модели служит инициатива CDIO (Conceive-Design-Implement-Operate), которая, по данным Э. Кроули с группой исследователей [18], систематизирует проектное обучение в инженерном образовании через синтез теоретических знаний и практико-ориентированных задач.

Как отмечает Э. Б. Настуев [19], ключевым фактором модернизации образовательных программ является профессиональная компетентность преподавательского состава, непосредственно влияющая на качество формирования компетенций у обучающихся. В контексте подготовки к конкурсам профессионального мастерства (например, WorldSkills) это предполагает систематическое повышение квалификации педагогов в соответствии с актуальными отраслевыми стандартами, участие в специализированных тренингах от индустриальных партнеров, а также обмен практиками в рамках профессиональных сообществ. В рассматриваемой образовательной модели роль преподавателя трансформируется в сторону менторства, предполагающего комплексное сопровождение обучающихся: от подготовки конкурсных заданий и формирования презентационных идей до развития гибких навыков (коммуникация, критическое мышление). Как показано в исследовании Фэй Хэдли [20], такая трансформация подразумевает переход от традиционной дидактики к наставничеству, где ключевым элементом становится индивидуализированная поддержка студентов в формировании профессионально-личностных компетенций.

В исследовании А. В. Воронина и его коллег [21] также подчеркивается значимость интеграции отраслевых специалистов в систему образования. Участие профессионалов в качестве наставников не только обеспечивает доступ студентов к стажировкам и трудоустройству, но и способствует актуализации знаний преподавателей, знакомству с новыми технологиями и обогащению педагогических методик

Реализация указанных подходов требует инвестирования ресурсов вузов в модернизацию материально-технической базы (лаборатории, оборудование), а также установления стратегических партнерств с компаниями, способными предоставить спонсорскую поддержку и экспертизу.

Подводя итог, следует отметить, что привлечение студентов под наставничеством преподавателей вуза к участию в конкурсах и чемпионатах профессионального мастерства имеет большие перспективы с точки зрения создания практико-ориентированной образовательной среды в системе высшего образования, структура которой приведена на рис. 1.

 

Рис. 1. Компоненты практико-ориентированной среды, сформированной
в ходе конкурсов профессионального мастерства

 

В литературном обзоре показано, что системное включение конкурсов в педагогический процесс имеет под собой сильную теоретическую основу и должно положительно сказываться на повышении качества инженерного образования. Однако, что касается практического внедрения, данный процесс идет медленно, сопровождаясь рядом проблем. Как отмечает Е. А. Колесник [22], одной из ключевых трудностей является нехватка времени у студентов, вынужденных совмещать подготовку и учебу, кроме того, ограничено число партнеров, готовых организовывать и спонсировать конкурсы. Другой аспект проблемы, на который указывает О. В. Петров [23], – это сопротивление преподавателей, для которых подготовка студентов к участию в конкурсах становится дополнительной нагрузкой. Преодоление указанных ограничений требует актуализации позитивного педагогического потенциала конкурсных механизмов, что определяет методологическую направленность данного исследования.

 

Методологическая база исследования / Methodological base of the research

 

В основе исследования лежит анализ опыта внедрения практикоориентированности в учебный процесс на примере современной биоинженерной программы «Биотехнические системы и технологии», реализуемой на базе кафедры экспериментальной физики в Уральском федеральном университете им. Б. Н. Ельцина. Реализуемая программа разработана на стыке классической инженерной специальности и интегративных исследований в области медицины, тем самым она направлена на подготовку выпускников к профессиональной деятельности в области трансдисциплинарного взаимодействия наиболее востребованных направлений в современной науке и практике [24]. Модель программы включает три основных профессиональных направления подготовки студентов: применение радиационных технологий в биологии и медицине, разработка электронных медицинских приборов, аппаратов и систем и использование информационных технологий для обработки биомедицинских данных. Согласно проведенному за последние три года анализу выбора студентами тем НИР и ВКР, фокус интереса к углубленному освоению траекторий смещен в сторону изучения вопросов радиационного контроля и безопасности, а также использования актуальных информационных средств (методов машинного обучения, искусственных нейронных сетей и технологий обработки естественного языка) для анализа медицинских данных, поэтому в качестве отраслевых конкурсов рассматривались, соответственно, конкурс в компетенции «Радиационный контроль»  чемпионата AtomSkills и открытые соревнования на реальных наборах медицинских данных на платформе Kaggle. Проведен анализ задач и результатов профильных соревнований, включая критерии оценки участников: инновационность, корреляция между сложностью задач, используемыми технологиями и итоговыми результатами, выявление лучших практик для интеграции в учебные программы.

 

Результаты исследования / Research results

 

Практико-ориентированный подход образовательной программы магистратуры 12.04.04 «Биотехнические системы и технологии» Уральского федерального университета им. Б. Н. Ельцина находит свое отражение не только в академических модулях, но и в возможностях применения полученных знаний в реальных профессиональных условиях. Модули программы (см. рис. 2) структурированы вокруг конкретных учебных целей, задач и методического сопровождения для их реализации. В них включены инструменты оценки, позволяющие определить степень освоения взаимодополняющих дисциплин. Такой подход не только систематизирует обучение, но и создает базу для применения знаний в профессиональной деятельности – например, в рамках соревнований или отраслевых чемпионатов.

Профессиональные компетенции выпускников формируются через объединение теоретико-методологического компонента (академическое освоение дисциплин в рамках модулей программы) и практико-ориентированной деятельности, включая решение кейсов, проектных задач и участие в конкурсных форматах, что обеспечивает поэтапное закрепление знаний и развитие навыков в условиях, приближенных к профессиональной реальности. Например, модуль «Радиационные технологии в медицине», включающий изучение методов контроля и безопасности, напрямую коррелирует с задачами, которые решают участники отраслевого чемпионата AtomSkills. Этот конкурс, проводимый госкорпорацией «Росатом» с 2017 года в рамках компетенции «Радиационный контроль», становится для студентов естественным продолжением учебной практики. Конкурс направлен в первую очередь на рост навыков по ключевым технологическим профессиям, поэтому предоставляет возможность игрокам «Студенческой лиги» погрузиться в среду профессионального мастерства, моделирующего реальные задачи радиационного контроля: выполнение конкурсного задания включает в себя поиск источников ионизирующего излучения, определение их характеристик, расчет дополнительных параметров и оформление протоколов в соответствии с приведенными формами, проверку знаний теории и нормативно-технической документации. Конкурсное задание разработано на основании перечня профессиональных задач специалиста в сфере компетенции «Радиационный контроль».

 

 

Рис. 2. Структурно-содержательная модель образовательной программы «Биотехнические системы
и технологии» в контексте профессиональных траекторий подготовки магистрантов

 

Формирование экспертных компетенций в конкурсной среде происходит эффективно, поскольку в соревновательном процессе участники не только демонстрируют существующие навыки, но и набираются опыта в проведении дозиметрических и радиометрических измерений различных видов ионизирующих излучений, проведении радиационного контроля и обработке результатов измерений на современном оборудовании [25].

Конкурсная среда развивает критическое мышление, поскольку в качестве заданий предлагается решение нестандартных кейсов (например, ликвидация последствий гипотетической аварии), которые требуют анализа данных в условиях неопределенности и ограниченности времени. Решение заданий чемпионата требует активного применения на практике междисциплинарного подхода: успешное решение зачастую требует объединения знаний ядерной физики, экологии, дозиметрии и радиационной безопасности.

Можно ожидать, что участие в конкурсе повысит мотивацию участников к углубленному изучению дисциплин радиационного профиля, а также сформирует у них практический опыт принятия решений в условиях, максимально приближенных к реальным задачам в области радиационного контроля и безопасности. Однако следует отметить ряд недостатков данного чемпионата с точки зрения практико-ориентированности именно образовательного процесса в вузе и оценки его положительных эффектов на достаточно большой выборке: чемпионат нацелен в первую очередь на профессионалов, работающих в сфере, не на студентов, сжатые лимиты для прохождения отборочного этапа для участников студенческой лиги приводят к очень малому проценту учащихся, имеющих возможность окунуться в среду профессионального роста. Поэтому конкурсы профессионального мастерства следует рассматривать еще и как возможность повышения компетентности преподавателей, выступающих на конкурсе в роли наставника участника-студента.

Участие в чемпионатах обеспечивает взаимодействие преподавателей с профессионалами, способствуя актуализации педагогического опыта в соответствии с современными отраслевыми стандартами и формированию базы уникальных производственных кейсов. Интеграция этих материалов в лекционные курсы, практикумы и лабораторные работы позволяет моделировать профессиональные ситуации, приближенные к реальным инженерно-техническим сценариям, что способствует развитию прикладных компетенций у студентов [26].

Необходимо подчеркнуть и заинтересованность вуза, поскольку участие студентов и преподавателей в конкурсах предприятий, таких как «Росатом», расширяет возможности партнерства, обеспечивает доступ к актуальным производственным задачам. Задачей вуза становится также обеспечить ресурсную базу для эффективной интеграции конкурсов в педагогическую практику: например, симуляторы, программное обеспечение для дозиметрических задач. Такой подход трансформирует образовательный процесс со всех сторон, делая его отвечающим глобальным вызовам в области радиационной защиты.

Однако, несмотря на значительный потенциал интеграции отраслевых чемпионатов в образовательный процесс, их ограниченная квота на участие ставит вопрос о масштабируемости подобных практик. В отличие от традиционных форматов, платформы открытых соревнований, используемые в решении задач машинного обучения, демонстрируют альтернативный подход, лишенный данного недостатка.

Использование открытых площадок по машинному обучению предоставляет возможности для автоматической проверки решений и составления рейтинга участников. Создание соревнований отличается доступностью реализации: после подготовки соревнования, установки условий оценки, правил и т. п. сайт самостоятельно, не требуя дальнейшего вмешательства, оценивает точность ответов, отправленных студентами, в режиме реального времени, чтобы найти победителя. Удобство платформы позволяет обучающимся впоследствии самостоятельно разрабатывать новые учебные кейсы. Также учтено, что традиционные научные исследования, при всей своей фундаментальной значимости, часто ограничены ресурсами, временными рамками и узкой специализацией команд, при этом соревнования позволяют привлечь к решению проблемы огромное количество людей с разнообразным бэкграундом, предлагая им равные условия и мощную мотивацию. Возможность видеть свое место в рейтинге создает стимулирующую среду, в которой участники стремятся к максимуму. Рейтинги, публичные обсуждения и возможность видеть код победителей позволяют участникам учиться на чужом опыте, анализировать сильные и слабые стороны своих алгоритмов и быстро совершенствоваться. Представленный процесс непрерывного обучения и улучшения является ключевым фактором для быстрого прогресса в области машинного обучения и искусственного интеллекта в медицине. Возможность увидеть, как другие решают ту же задачу, позволяет не только усовершенствовать собственные методы, но и расширить кругозор, узнать о новых инструментах и подходах, а также избежать распространенных ошибок.

Второй причиной, по которой соревнования в области анализа медицинских данных так важны, является возможность работы с реальными, анонимизированными медицинскими данными. Датасеты, содержащие информацию о пациентах, болезнях, результатах анализов и исследований, обычно недоступны широкой публике из-за вопросов конфиденциальности и нормативных ограничений, платформы предоставляют возможность исследователям и разработчикам взаимодействовать с этими данными в контролируемой среде, что стимулирует поиск новых закономерностей и разработку более точных и эффективных алгоритмов диагностики и лечения. Наборы данных, используемые в таких соревнованиях для обучения моделей и оценки их эффективности, подбираются из открытых источников, например из библиотеки scikit-learn (библиотека на языке программирования Python, предназначенная для задач машинного обучения и Data Science). Данный подход не только развивает у студентов навыки проектирования задач, но и обеспечивает гибкость в выборе соответствующих целям ресурсов.

Внедрение соревновательных проектов на платформе Kaggle стало основой редизайна магистерского курса «Цифровая обработка медицинских сигналов», направленного на формирование у студентов компетенций, необходимых для работы в области биотехнических систем, с акцентом на современных методах анализа медицинских данных. Модернизированный курс сочетает традиционные методы анализа данных (MATLAB) с современными инструментами Python, что обеспечивает комплексную подготовку студентов (рис. 3).

 

 

 

Рис. 3. Соревнование «Классификация опухолей головного мозга», реализованное
в рамках дисциплины «Цифровая обработка сигналов»

 

Результаты показали, что участие в Kaggle-соревнованиях способствовало развитию навыков работы с алгоритмами машинного обучения, интерпретации многомерных данных (например, ЭКГ (электрокардиограмма), МРТ-изображений (магнитно-резонансная томография)) и командной коллаборации. Результаты социометрических исследований, проведенных вузом среди магистрантов первого и второго года обучения в рамках апробации образовательной программы, выявили значимую корреляцию между использованием цифрового инструментария и когнитивным освоением прикладных аспектов дисциплины. Согласно анализу анкетирования, 78% респондентов указали, что выполнение кейс-ориентированных заданий на специализированной платформе позволило установить соответствие между абстрактными теоретическими моделями и их практической реализацией в условиях клинической деятельности. Эмпирический анализ образовательных результатов в рамках балльно-рейтинговой системы выявил позитивную динамику академической успеваемости. По данным мониторинга, средний показатель выполнения практико-ориентированных заданий продемонстрировал рост на 22%, что свидетельствует о повышении уровня усвоения прикладных компетенций. Параллельно зафиксировано двукратное увеличение количества обучающихся, защитивших выпускные квалификационные работы с успешным внедрением искусственного интеллекта в проектные решения.

Примеры успешных проектов, реализуемых в курсе: «Классификация опухолей головного мозга» [27], «Классификация наличия сердечной недостаточности у пациента» [28], «Классификация наличия сердечно-сосудистого заболевания у пациента» [29], «Сегментация опухолей головного мозга» [30]. Такой доступ позволяет участникам разрабатывать модели, способные выявлять признаки заболевания на ранних стадиях, что имеет решающее значение для успешного лечения.

Таким образом, включение практико-ориентированного соревнования в курс с широким охватом участников позволило сформировать новые компетенции, такие как навыки анализа и обработки биомедицинских данных с использованием Python и MATLAB, опыт применения алгоритмов машинного обучения для анализа медицинских сигналов и изображений, способность работать с медицинскими текстовыми данными с использованием LLM (Large Language Models) и NLP (Natural Language Processing) – технологии в рамках искусственного интеллекта, которые фокусируются на понимании и генерации человеческого языка, умении решать реальные инженерные задачи, вести проекты индивидуально и в команде, что в конечном итоге принесет долгосрочные выгоды университету и заинтересованным в специалистах работодателям.

Реализация трехкомпонентной модели программы «Биотехнические системы и технологии», интегрирующей направления: применение радиационных технологий в биомедицине, конструирование электронных медицинских систем и обработку биомедицинских данных средствами ИТ, обеспечивает формирование у обучающихся компетенций, необходимых для разработки прикладных проектов с потенциалом внедрения в медицинскую практику, включая выполнение проектных исследований для профильных организаций федерального округа.

 

Заключение / Conclusion

 

Отраслевые конкурсы не дополнительная опция, а необходимое условие современного технического образования. Они создают экосистему, где студенты получают практический опыт, преподаватели обновляют знания, а вузы укрепляют связи с работодателями. Интеграция конкурсов в учебные процессы и создание поддерживающих условий позволят готовить не просто специалистов, а лидеров индустрии.

Профессиональная подготовка студентов к отраслевым чемпионатам представляет собой сложную систему, основанную на синтезе педагогических теорий и практик. Деятельностный и компетентностный подходы формируют ядро практико-ориентированного обучения, теория социального партнерства обеспечивает связь с индустрией, а внедрение цифровых двойников способствует формированию у студентов компетенций, соответствующих вызовам цифровизации. Психологическая поддержка и развитие soft skills через командную работу создают условия для личностного роста, а профессиональное развитие педагогов гарантирует высокое качество подготовки.

Таким образом, интеграция образовательных траекторий с профессиональными стандартами, заложенная в магистратуре, позволяет студентам не только развивать компетенции, но и апробировать их в условиях, максимально приближенных к отраслевым реалиям.