Вернуться к обычному виду



Двумерный метод обучения в процессе подготовки инновационных инженеров

  

Двумерный метод обучения в процессе подготовки инновационных инженеров

Двумерный метод обучения в процессе подготовки инновационных инженеров

К.Л. Левков (Тель- Авивский Университет, Израиль) и
О.Л. Фиговский (Международный Исследовательский Центр Нанотехнологий, Израиль).

По определению учёных-экономистов современное мировое промышленное производство находится в середине периода доминирования пятого и начала реализаций отдельных научных направлений шестого технологических укладов. Совершенствование существующих и разработка множества новых научно-технических направлений происходит в условиях всё нарастающего усложнения технических объектов и технологий. Новые технологические условия требуют увеличения интеллектуальных и материальных затрат на прикладные исследования и опытно-конструкторские разработки.
Разработка перспективных технических систем и технологий, основанных на использовании в различных сочетаниях многочисленных физических, химических, биологических, математических и информационных законов, принципов, эффектов и моделей, определяет соответствующие требования к уровню квалификации и творческому потенциалу инженеров, осуществляющих непосредственную разработку нововведений.
Из всего многообразия требований к инженерам вообще и к инновационным инженерам в особенности, основными следует считать развитый механизм принятия технических решений на изобретательском уровне, способность находить необходимую информацию и самообучаться. Способность принимать эффективные технические решения вырабатывается в результате развития инновационных способностей и системного стиля мышления. Системное мышление является одной из главных составляющих творческого процесса учёных, инженеров и изобретателей. Его развитие в процессе обучения должно осуществляться путём изменения методов преподавания базовых дисциплин и решения специально подобранных учебных и практических инженерных задач. Для этого необходима модернизация учебных программ и методик преподавания, а также их адаптация к потребностям данного аспекта инженерной подготовки. Суть этой модернизации заключается в более полном использовании дидактического потенциала каждой изучаемой темы и решаемых в качестве примеров задач при изучении базовых дисциплин.
Перед разработчиками учебных программ в той или иной степени  встаёт один и тот же извечный вопрос дидактики: «Чему учить и как учить?». Этот вопрос не вызывает ощущения проблемности при формировании учебных программ и их тематического наполнения для общетеоретических и технологических дисциплин, базирующихся на  традиционных разделах науки и техники (например, математика, общая физика, общая химия, обработка металлов резанием и т.д.). Эти науки вошли в состояние эволюционного развития, что обуславливает относительно низкую динамику изменений как их самих, так и учебных программ изучения этих дисциплин. Это позволяет продолжительный период преподавать данные предметы без существенных программных и тематических корректировок.
Значительно сложнее осуществляется процесс формирования учебных программ и материалов по предметам, в основу которых положены новые и бурно развивающиеся области и направления науки и техники. В этих условиях весьма затруднительно оперативно и часто перестраивать учебные программы под постоянно появляющиеся инновации. Проходит время пока определённое количество значимых изобретений или научное открытие серьёзно не повлияет на теоретические основы конкретной предметной области. Это обстоятельство заставляет корректировать, а то и существенно дополнять учебники, учебные пособия, учебные программы и лабораторные практикумы, а также производить повышение квалификации преподавательского состава. Постоянная потребность в таких изменениях, по ряду научно-технических направлений, существенно опережает адаптивные возможности существующей системы образования с присущими ей образовательными технологиями, основывающиеся, в основном, на словесном, наглядном и практическом методах обучения. Междисциплинарное взаимодействие порождает неожиданные и непредсказуемые научные открытия и обуславливаемые ими новые технические решения, которые не всегда вписываются в границы тех или иных специальностей. Подобная ситуация обуславливает  отставание научно-технического уровня преподаваемых и изучаемых по жёстким программам специальных дисциплин от реального и постоянно изменяющегося содержания предметных областей с высокой инновационной динамикой.
Образовательный процесс, основанный на догоняющих учебных программах  малоэффективен и свидетельством этому являются существенные временные и материальные затраты на доучивание или переучивание, которые несут фирмы при профессиональной адаптации молодых специалистов. Низкая эффективность большинства существующих образовательных методов в области высоких технологий обусловлена ещё и тем, что при традиционных подходах к обучению, являющихся по своей сути репродуктивными, невозможно учить тому, что ещё не освоено преподавателями и не вошло в учебные программы. Для реализации продуктивных методов обучения, в основу которых положено самостоятельное освоение учебного материала в сочетании с проблемным, поисковым и исследовательским обучающими методами при консультативной преподавательской поддержке, необходима перестройка системы образования инновационных специалистов.
В большинстве случаев существующий процесс подготовки будущих инженеров нацелен не на предстоящую продуктивную и творческую работу, а на сдачу тех или иных экзаменов в процессе обучения, а также на прохождение при будущем трудоустройстве далеко не совершенных процедур приёма специалистов на работу после окончания ВУЗ(а). Этот процесс не регламентирован какими-либо правилами или рекомендациями. Отсюда нередки случаи когда принимающую на работу сторону в качестве проверки компетентности специалиста интересует информация, которую не обязательно запоминать и которую легко можно найти в различного рода учебниках, справочниках или в Интернете. В более цивилизованных вариантах проявляется интерес к тому, чем претендент на вакантную должность занимался на стажировках или на прежних местах работы и тем самым умозрительно определяют его готовность выполнять должностные обязанности на новом месте. И относительно редко выясняют у специалиста видимые им профессиональные подходы к решению предстоящих инженерных задач
    Подобная практика приёма на работу стимулирует образовательный процесс, в котором весьма высока доля механически запомненных и не всегда связанных непосредственно с окружающей реальностью знаний. Возможно, такая структура образования приемлема для формальной оценки и отбора для последующей стажировки инженеров по эксплуатации и ремонту сложного оборудования или для конструкторско-технологической и производственной реализации апробированных и доведенных до уровня технического предложения инноваций. Образовательный процесс и соответствующие ему методы подготовки инновационных инженеров необходимо строить по совсем другому принципу, который должен соответствовать критериям профессионального отбора этой категории специалистов. Вполне естественной представляется ситуация, в которой сама подготовка инновационных специалистов тоже носит инновационный характер, который предполагает определённые методы, основанные на внешних по отношению к педагогике моделях и  нетрадиционных решениях.
В перечне основных требований к уровню квалификации инновационного специалиста находится знание множества  предметных областей. Определение перечня этих областей разработчиками учебных программ производится по принципу «чем больше – тем лучше». Реальный объём подлежащих изучению студентом знаний за единицу времени имеет психофизиологический объективный и субъективный пределы усвоения информации.  Вместе с тем количество подлежащей усвоению учебной информации увеличивается с каждым годом. Подобная ситуация приводит к дидактическому противоречию. Это противоречие может быть сформулировано следующим образом: «Инновационному специалисту надо быть компетентным в широком перечне областей знания и, при этом, процесс усвоения новых знаний не должен выходить за допустимые временные и психогигиенические пределы». Наличие любого противоречия свидетельствует об изобретательском характере задачи, требующей для её решения соответствующих методов. Одним из этих методов является метод аналогий. В данном случае, в качестве аналогии могут быть использованы технологии сжатия информации, использующие содержащуюся в любых информационных структурах избыточность.
Избыточностью в текстовых, звуковых и видео файлах является, например, повторение в  них одинаковых фрагментов (слов естественного или машинного языка, пропуски в тексте и др.). Для устранения этой избыточности существуют методы сжатия информации, реализованные в архиваторах для текстовых файлов (ZIP, RAR и др.). Для сжатия звуковых файлов широко используется формат MP3, а для видео файлов – формат MP4.

Избыточностью в учебной информации  является наличие в изучаемых предметах и в междисциплинарном пространстве повторяющихся изоморфных явлений, процессов, принципов и законов, которые являются различными по природе и одинаковыми по свойствам, характеру и формально-математическим описаниям. Возможность их объединения в едином тематическом построении снижает объём изучаемого материала путём устранения учебно-информационной избыточности.
Реализация процесса объединения изоморфных явлений, процессов, принципов и законов осуществляется с помощью метода двумерной дидактики, который, помимо снижения объёма учебной информации. позволяет значительно повысить коэффициент полезного действия образовательного процесса в направлении расширения междисциплинарного кругозора, развития общего и системного мышления, а также повышения прочности знаний. Основой метода является принцип двумерного обучения, реализуемый путём ассоциативной привязки тем и решаемых задач изучаемого предмета к похожим явлениям и задачам других предметных областей. Эффективность данного метода обучения достигается путём соответствующего логического структурирования учебного материала и подбора изоморфных явлений, математических и семантических моделей из существующей системы знания. В отличие от традиционного обучения, двумерный способ структурирует учебный материал не только по принципу предметно-тематического построения (например, последовательно изучаемые темы курса «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ), но и по принципу функциональному (например, рассмотрение общей  модели процесса накопления энергии в конденсаторных, маховичных, гравитационных, электрохимических, тепловых и др. накопителях при изучении темы ТОЭ, связанной с соответствующим использованием конденсаторов).
В качестве первого примера реализации предлагаемого метода рассмотрим тему «Закон Ома», которую изучают при прохождении курсов физики (электричество), ТОЭ, электрохимии и др.
Базовые понятия, сформированные в предыдущих темах: электродвижущая сила, электрическое сопротивление, электрический ток (электротехника), прямая и обратная пропорциональная зависимость (математика). Вертикальная составляющая обучения: разъяснение физической сущности закона и решение задач на нахождение неизвестного значения  из триады параметров (напряжения, сопротивления или тока).
Горизонтальная составляющая обучения включает:
а) перечень и аннотацию практических задач, базирующихся на теории линейных электрических цепей и требующих для их решения использования закона Ома (расчёт поперечного сечения проводов электросети и обмоточных проводов электрических машин, выбор предохранителей, расчёт нагревательных элементов, расчёт добавочных сопротивлений и шунтов для измерительных цепей и др.);
б) формулирование и разъяснение законов-аналогов (изоморфизмов) с общей семантической и математической моделью:
- закон Ома для магнитной цепи;
- закон Ома для пневматического и гидравлического контуров;
- закон Ома для механических приводов (трансмиссий);
- закон Ома для подвижного железнодорожного состава и др.
в) представление закона Ома для электрической цепи как частного случая реализации общего закона воздействия движущей силы на физические объекты;
г) формулирование вывода общего закона воздействия движущей силы на физические объекты (междисциплинарного определения закона Ома):
«Результат воздействия движущей силы на какой-либо физический  объект (тело или частицу) прямо пропорционален величине этой силы и обратно пропорционален величине сопротивления оказываемого этому объекту при его движении»;
д) определение движущих сил: направленной механической, вращающего момента, гидравлического, пневматического (газового), осмотического, звукового и светового давлений, электродвижущей силы (ЭДС), магнитодвижущей силы (МДС), разности температур и др.;
е) определение видов сопротивлений: электрическое, магнитное, термическое, аэро- и гидродинамическое, трения качения и скольжения и др.;
ж) определение противодействующих сил и их отличие от сопротивлений;
з) пример качественного представления закона    движущей силы (закона Ома) в психологии,  где соответствующими аналогиями являются: электродвижущая сила - мотивация, внутреннее сопротивление - лень, сопротивление нагрузки - производительный труд, противо-ЭДС - мешающие внешние производственные и социальные факторы как противодействующие силы.
Второй иллюстративный пример связан с решением алгебраических задач.
Задача 1. Из города А в город Б навстречу друг другу одновременно выехали два автомобиля. Один из автомобилей может пройти расстояние между этими городами за  «a» часов, а второй за «b» часов. Через которое время они встретятся?
Базовые понятия: меры длины и расстояния, время, скорость.
Решение: t = a * b /( a + b).
Задача 2. Два маляра, начав работу одновременно, должны покрасить помещение. Один из них может выполнить всю работу за «a» часов, а второй за «b» часов. Через какое время они завершат работу?
Базовые понятия: меры площади, время, производительность труда.
Решение: t = a * b /( a + b).
Задача 3. Два электрических сопротивления (резистора) включены параллельно. Один из них имеет сопротивление «a» Ом, а второй -  «b» Ом.
Каково их общее сопротивление?
Базовые понятия: сопротивление, проводимость.
Решение: r = a * b / (a + b).
При рассмотрении данных задач, студенты должны объяснить, почему задачи, имеющие отношение к механике, экономике и электротехнике имеют одно и то же решение (единую математическую модель). Далее можно обобщить, при активном участии обучаемых, что подобные задачи с этой же математической моделью можно сформулировать для многих других предметных областей и все они могут быть объединены одним определением: «Если два (или более) производительных фактора, включившись в процесс одновременно, работают на достижение совместного конечного результата, то время достижения этого результата равно обратной величине суммы их производительностей».
Важным моментом в реализации дидактического потенциала приведенных задач является разъяснение двух противоположных понятий: производительности и сопротивления. Производительность легкового автомобиля – это его скорость т.е пройденный километраж за единицу времени. Производительность труда – это объём проделанной работы за единицу времени. Производительность резистора – это его проводимость (величина обратная сопротивлению), как параметр, определяющий величину проходящего через него тока. Далее необходимо перечислить и разъяснить сущность семантически родственных, при реализации математических моделей, параметров: производительности труда, производительности технологического оборудования, электрической проводимости, магнитной проницаемости, пропускной способности транспортных магистралей, трубопроводов и каналов связи, а также электрического тока, магнитного, теплового, воздушного, гидравлического, транспортного, информационного и др. потоков.
Сопротивление движению автомобиля – это совокупность факторов (трение, аэродинамическое сопротивление), которые необходимо преодолевать и которые не дают возможности автомобилю двигаться со скоростью света. По условию задачи 1 величины «a» и «b» - сопротивления движению, ибо если бы они равнялись нулю, то автомобили покрыли бы расстояние между городами мгновенно. Сопротивлением (мешающими факторами) процессу производства (задача 2, величины «a» и «b») являются его ограниченные технологические возможности, неорганизованность производства и исполнителей, неблагоприятные условия труда, усталость, отвращение к работе и др. При отсутствии факторов сопротивления процессу производства конечный результат работы получают тотчас же. Сопротивление резистора (задача 3, величины «a» и «b») – это свойство материала, из которого он изготовлен, препятствовать прохождению электронов. При отсутствии электрического сопротивления в электрической цепи, содержащей источник электродвижущей силы, ток равен бесконечности. Таким образом, если говорится о достижении некого результата за определённое время, то речь идёт о величине, имеющей размерность сопротивления. При этом следует подчеркнуть, что величина электрического сопротивления, в свою очередь, связана с временным фактором, так как она численно равна времени, за которое электрический заряд величиной в 1 Кулон пройдёт через резистор с определённым сопротивлением при приложенной постоянной величине электродвижущей силы в 1 Вольт.
Идея многомерности в обучении не нова. Ещё Рене Декарт, известный французский математик, философ, физик и физиолог, в своих афоризмах отмечал: «Все науки настолько связаны между собою, что легче изучать их все сразу, нежели какую-либо одну из них в отдельности от всех прочих». И ещё: «Высказывания мудрецов могут быть сведены к очень небольшому числу общих правил». Это значит, что существует некоторое, относительно небольшое, количество элементов системы знания, которые в различных сочетаниях и взаимосвязях могут образовывать значительно большее количество подсистем (предметных областей). К элементам системы знания относятся законы, теоремы, аксиомы, правила, принципы, эффекты, математические и семантические модели. Из них, как из кирпичиков, состоят отдельные дисциплины. Одни и те же элементы системы знания в неизменённом или модифицированном виде могут входить в разные подсистемы – предметные области. Кроме этого, в Общей теории систем, предложенной Карлом Людвигом фон Берталанфи, признаётся изоморфизм законов, управляющих функционированием системных объектов.
В процессе подготовки учебных материалов для реализации двумерного обучения производится информационный поиск, классификация и систематизация не только элементов системы знания, но и системных компонентов.  Изучение и знание инновационными специалистами всего разнообразия функций системных компонентов (датчиков, интерфейсов, микроконтроллеров, микроэлектромеханики и т.п.)  является одним из главных и обязательных условий для проведения оптимального функционального синтеза разрабатываемых технических систем. Поэтому привязку тем общетеоретических предметов к практике построения объектов техники необходимо производить уже в процессе изучения этих курсов. Студенты инженерных специальностей должны иметь представление о прикладном значении и о вариантах практического применения получаемой ими учебной информации в различных предметных областях. Подобное разностороннее и утилитарное преподавание базовых учебных предметов в сочетании с проблемным, поисковым и исследовательским методами обучения существенно увеличивает прочность и эффективность получаемых студентами знаний.
Двумерная дидактика существенно расширяет профессиональный кругозор учащихся и студентов и в немалой степени определяет их профессиональную мобильность в будущей деятельности. Профессиональная мобильность – это способность и готовность специалиста достаточно быстро и успешно адаптироваться к новым технологическим условиям путём освоения новой техники и технологий, приобретать недостающие знания и умения, а также способность переключаться на другой вид деятельности. Профессиональная мобильность предполагает высокий уровень обобщённых профессиональных знаний, основанных на междисциплинарных представлениях и практической применяемости математических моделей, физических, химических, биологических и информационных законов, правил, принципов и эффектов. В условиях быстрого изменения техники и технологий профессиональная мобильность является важным компонентом квалификационной структуры (модели) инженера.
Реализация метода двумерной дидактики позволяет увеличить прочность знаний, активизировать системное мышление, выводить обучаемого за рамки изучаемого предмета, а также способствует в дальнейшей практической деятельности осуществлению эффективного компонентного синтеза проектируемых технических систем с использованием общефункциональных признаков и свойств системных элементов.


Литература

1. К.Л.Левков, О.Л.Фиговский. К вопросу подготовки инновационных инженеров.
http://www.metodolog.ru/node/600

2. Ю.П. Похолков, А.И. Чучалин, О.В. Боев
Гарантии качества подготовки инженеров: аккредитация образовательных программ и сертификация специалистов. //Вопросы образования. 2004. № 4. С. 125-141.

3. Рыжов В.П. ИНЖЕНЕРНОЕ ТВОРЧЕСТВО И ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОГО ИНЖЕНЕРНОГО ОБРАЗОВАНИЯ. Открытое образование 5/2005.

4. Магаршак Ю. Ученый или инженер – кто выше? Известия науки, 2003.

5. КУРАЕВ А.А. Доклады БГУИР. ЭЛЕКТРОНИКА. ИЗОМОРФИЗМ И ВОЛНОВАЯ ГИПОТЕЗА ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ. 2003.

6. Георгий Малинецкий. Доклад о перспективах РФ. 2009.
   http://www.nanonewsnet.ru/articles/2009/georgii-malinetskii-doklad-o-perspektivakh-rf

7. Профессор В.М. Задорский       Креативизм или кретинизм?
http://blog.liga.net/user/vzadorskiy/article/6338.aspx