CC BY
159
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE RAIJMAN MS TU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. №0421200025. ISSN 1994-040S
electronic scientific and technical journal
Применение принципов бережливого производства к оптимизации образовательного процесса на примере обучения дисциплине «Аналитическая геометрия»
77-48211/586098
# 06, июнь 2013 Прозоровский А. А.
УДК.378.14
Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана prozorovsky@bmstu.ru
Введение
Автором исследуется вопрос оптимизации образовательного процесса, т.е. достижение такой организации обучения, при которой качественная передача знаний от преподавателя к обучающемуся и приобретение навыков и умений происходят с минимальными затратами времени и других ресурсов. Данный вопрос представляется крайне актуальным в условиях современных тенденций (переход на модульно-рейтинговую систему обучения, сокращение учебных часов и др.).
Оптимизация образовательного процесса позволяет ответить на два вопроса: (I) как сохранить (или улучшить) качество обучения при уменьшении длительности обучения и (II) как сделать процесс обучения более комфортным?
Данная проблематика исследовалась в трудах [1], [2], [3]. Целью настоящей работы является оптимизация образовательного процесса обучения дисциплине "Аналитическая геометрия" в высшей школе. При этом впервые данная проблема анализируется методами концепции бережливого производства [4] (что и составляет научную новизну работы).
В настоящей статье сначала вкратце описывается методология бережливого производства, делается переложение её на образовательный процесс в высшей школе, затем приводятся результаты укрупнённого картирования индивидуальной образовательной траектории обучения дисциплине "Аналитическая геометрия", выявление потерь и предложения по улучшению процесса, рассматривается возможность распространения методики на образовательные процессы по другим дисциплинам.
1 Методы исследования
В настоящем исследовании требовалось разработать конкретные предложения по улучшению процесса обучения дисциплине "Аналитическая геометрия" через выявление потерь методами бережливого производства.
Бережливое производство (lean-management) - это концепция менеджмента, основанная на неуклонном стремлении к устранению всех видов потерь [4]. Бережливое производство предполагает вовлечение в оптимизацию процессов каждого сотрудника предприятия и максимальную ориентацию на потребителя.
Впервые принципы бережливого производства были с успехом применены в крупнейшей японской автомобилестроительной корпорации Toyota [5] и приобретают всё большую популярность в 21 веке. В настоящее время в России они используются для оптимизации производства, например, в Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом».
Концепция бережливого производства предполагает картирование потока создания ценности с детальной прорисовкой и расстановкой рабочих процессов с целью их визуализации и анализа оптимальности. Если под ценностью понимать переданное знание и приобретённые навыки и умения, то можно рассмотреть образовательный процесс как производственный -нацеленный на производство компетенций. Поэтому сформулируем некоторые термины бережливого производства в приложении к образовательному процессу.
77-48211/586098, №06 июнь 2013 г. http://technomag.bmstu.ru 2
Анализ потока создания ценности - деятельность, предпринимаемая для установления пригодности, адекватности, результативности рассматриваемого потока создания ценности для достижения установленных целей.
Блок-схема процесса - графическое изображение последовательности выполнения шагов процесса.
Добавленная ценность - преобразование информации для того, чтобы приблизить качество компетенций к запросам обучающихся (т.е. требованиям образовательного стандарта).
Метод картирования - установленная логика графического описания потока создания ценностей, включающая символы, последовательность составления и описание используемых данных (замеры, статистика).
Метрики - количественные показатели, полученные в результате метода картирования и описывающие данный поток создания ценности.
Потери - затраты ресурсов без создания ценности для обучающихся. По классификации Тайити Оно, выделяется 7 видов потерь [5]: Ненужные движения, Ненужная транспортировка, Избыточные запасы, Ожидание, Лишний этап обработки, Переделка и брак, Перепроизводство.
Поток - установленная образовательной технологией непрерывная последовательность выполнения работ для создания компетенций.
Поток создания ценности (ПСЦ) - это последовательность действий/ операций/ процессов по превращению информации в компетенции, удовлетворяющие требованиям обучающегося (т.е. требованиям образовательного стандарта).
Процесс - упорядоченная и последовательная деятельность по преобразованию входов в выходы.
Целевой ПСЦ - дополненный и улучшенный существующий ПСЦ с целевыми характеристиками, предполагающий план мероприятий по преобразованию существующего ПСЦ. Целевой ПСЦ должен устранить или нейтрализовать проблемы текущего потока.
http://technomag.bmstu.ru/doc/586098.html 3
Улучшения (перечень улучшений) - реестр конкретных организационных мероприятий по преобразованию существующего ПСЦ в целевой ПСЦ. Является результатом принятых решений по устранению выявленных потерь.
В настоящем исследовании был использован метод картирования потока создания ценности (компетенций) по дисциплине «Аналитическая геометрия», а также анализ ПСЦ по его карте с целью выявления видов потерь, устранение найденных потерь и создание целевого ПСЦ.
2 Результаты исследования
2.1 Картирование существующей индивидуальной образовательной траектории
В качестве объекта исследований был выбран процесс обучения дисциплине «Аналитическая геометрия» в первом модуле первого семестра факультета «Энергомашиностроение» МГТУ имени Н.Э. Баумана в 20112012 уч. гг. [6].
Автором осуществлено укрупнённое картирование потока создания ценности (компетенций) в разбивке по 8-ми неделям учебного модуля в программной среде MS Visio (Приложение А). Замеры проводились на реальных процессах путём анкетирования и опросов.
В качестве основных участников процессов выбраны сам обучающийся, преподаватель, ведущий семинарские занятия, преподаватель ведущий лекции, заместитель декана по курсу, куратор группы обучающегося. Для каждого из них выделена своя «дорожка» в карте ПСЦ (см. Приложение А). Процессы на «дорожках» подписаны и развиваются во времени. «Дорожка» обучающегося, по сути, представляет собой индивидуальную образовательную траекторию по дисциплине. Временной шаг - одна учебная неделя. Рядом с каждым процессом (блоки прямоугольной формы) проставлено время процесса в минутах. Горизонтальные стрелки (то есть находящиеся в рамках одной «дорожки») 77-48211/586098, №06 июнь 2013 г. http://technomag.bmstu.ru 4
обозначают переход от одного процесса к другому, осуществляемых одним и тем же участником. Вертикальные стрелки (то есть пересекающие несколько «дорожек») обозначают обмен информацией или её носителями между участниками процессов.
В результате укрупнённого картирования ПСЦ были выявлены некоторые метрики ПСЦ (см. таблицу 1):
• общее время на обучение - суммарное время (в мин.), затрачиваемое на все виды процессов изучения дисциплины (одним студентом) или её преподавания (одним преподавателем), подсчитывается суммированием длительности соответствующих процессов вдоль по «дорожке» карты ПСЦ;
• количество процессов - суммарное количество процессов изучения дисциплины (одним студентом) или её преподавания (одним преподавателем), подсчитывается суммированием соответствующих процессов вдоль по «дорожке» карты ПСЦ. Очевидно, что две эти метрики эквивалентны.
Таблица 1 - Метрики ПСЦ в первом модуле дисциплины «Аналитическая
геометрия»
Участник Метрики
Общее время на обучение, мин. Количество процессов, шт.
Обучающийся 2360 36
Преподаватель, ведущий семинарские занятия* Min 1180 Min 16
Преподаватель, ведущий лекции 720 8
*) Min означает, что показана только минимальная величина метрики, не учитывающая дополнительные процессы, которые могут возникать вследствие различных потерь неоптимизированного ПСЦ
2.2 Анализ потерь
Кроме того, выявлены некоторые виды потерь (на карте ПСЦ - блоки, показанные более светлым тоном):
(1) Выполнение текущих домашних заданий и типовых расчётов, предусмотренных Учебным планом, которые должны осуществляться обучающимся самостоятельно и дома, не поддаются полноценному контролю со стороны преподавателя, ведущего семинарские занятия. В крайнем случае существует даже риск того, что обучающийся может не выполнять их дома, и это отрицательно сказывается на качестве обучения. Вид потерь: ожидание (т.к. невыполненные контрольные мероприятия всё равно будут выполнены студентом в результате воспитательного воздействия преподавателя, но срок этого выполнения будет более поздним).
(2) Повторение материалов лекций, необходимое для нормального усвоения знаний, которое должно осуществляться обучающимся самостоятельно и дома, не поддаётся полноценному контролю со стороны преподавателя, ведущего семинарские занятия. В крайнем случае обучающийся может даже не заниматься повторением лекций дома, что отрицательно сказывается на качестве обучения. Вид потерь: ожидание.
(3) Перегруженность преподавателя, ведущего семинарские занятия, на консультации, проводимой только один раз в две недели, в случае, если все обучающиеся группы подходят прилежно к выполнению домашних заданий и типовых расчётов и пытаются сдать их преподавателю (плотный пучок стрелок «Контроль» на карте ПСЦ). Вид потерь: избыточные запасы.
Выполнение текущих домашних заданий и регулярная проработка лекций обучающимися в совокупности с другими процессами (не попавшими на карте ПСЦ в разряд потерь), несомненно, обеспечивают хорошее и своевременное усвоение компетенций. Наличие же потерь вида (1) и (2) 77-48211/586098, №06 июнь 2013 г. http://technomag.bmstu.ru 6
вносит элемент неопределённости в ПСЦ, т.е. нельзя точно сказать, выполняет ли обучающийся указанные работы дома. Данные виды потерь могут привести в конце модуля к такому виду потерь, как переделка и брак (т.е. переписывание неправильно выполненных аттестационных работ).
Из-за потерь вида (1) и (2) примерно половина состава учебной группы, как правило, срывает сроки завершения 1-го модуля, 2-го модуля и всего семестра. Неуспевающие студенты пересдают контрольные мероприятия, искусственно увеличивая количество процессов на «дорожке» преподавателя, ведущего семинарские занятия (именно поэтому в таблице 1 использовано примечание Min).
2.3 Модель оптимизации образовательного процесса
После выявления потерь вдоль по процессу, можно приступить к оптимизации (улучшению) процесса. Как отмечалось выше, критериями оптимизации образовательного процесса являются: (I) максимум качества обучения и (II) максимум комфортности обучения.
Если рассматривать качество обучения [9] как целевую функцию оптимизации, то её переменными (аргументами) могут выступать:
1. результаты итогового контроля по дисциплинам,
2. своевременность сдачи итогового контроля (выполнение учебного плана),
3. актуальность учебного материала,
4. структура учебного материала,
5. соответствие требованиям государственных стандартов высшего профессионального образования,
6. профессионализм и статус преподавателя,
7. а также, по большому счёту, комфортность обучения.
Всё это - взаимодополняющие параметры оптимизации целевой функции нескольких переменных [8].
Оставляя подробное рассмотрение задачи оптимизации образовательного процесса для будущих исследований, введём в настоящей работе три модельных допущения.
Допущение №1: целевая функция качества обучения зависит преимущественно только от первых двух аргументов - результата итогового контроля по дисциплине и своевременности сдачи итогового контроля. Действительно, если обучающийся получил оценку «отлично» на итоговом контроле, то можно утверждать, что качество его обучения высокое, если «неудовлетворительно», то - низкое. Если плановое время итогового контроля ещё не наступило, то обучающийся не получил никакую оценку и о качестве обучения ничего сказать нельзя. Отсюда следует, что велико влияние на качество обучения фактора времени, т.е. второго аргумента целевой функции - своевременности сдачи итогового контроля. Если обучающемуся из-за несовершенства образовательного процесса потребовалось «дополнительное» время для получения какой-либо оценки итогового контроля и он её получил, но со срывом плановых сроков, то в этом случае нужно говорить о пониженном качестве обучения по сравнению со своевременным получением такой же оценки.
Допущение №2: вследствие пренебрежения влиянием аргументов целевой функции 3-7, будем оптимизировать не образовательный процесс в целом, а индивидуальную образовательную траекторию по дисциплине
[9].
Кроме того, поскольку параметр «результат итогового контроля по дисциплине» - величина дискретная, область определения которой в общем случае зависит от формы итогового контроля (дифференцированный/ недифференцированный зачёт или экзамен), то введём
Допущение №3: для удобства, заменим этот параметр на эквивалентный ему - рейтинг обучающегося в семестре Кс = [1. .100], который включает в себя как баллы, полученные за работу в течение семестра (модуля), так и
баллы, заработанные на итогом контроле. Связь между Rc и оценкой по 5-балльной шкале (или зачётом) известна [6].
Таким образом, получена однокритериалъная задача двумерной оптимизации:
/ТЛ'1 2'■' (1)
где f(x1;x2) - целевая функция качества обучения, хъх2 - параметры оптимизации, при этом = Rc = [1. .100] - рейтинг обучающегося в семестре, х2 = t [мин. ] - общее время на обучение дисциплине. Очевидно, что общее время на обучение дисциплине зависит пропорционально от такой описанной выше метрики бережливого производства, как количество процессов.
Переменная х1 дискретна, переменная х2 непрерывна, поэтому следует ожидать, что функция качества обучения f(x1\x2) не будет дискретной. Отметим, что чем больше хг = Rc, тем больше f(xх2), и чем меньше х2 = t, тем больше /(хг; х2), т.е.
Оставив выяснение конкретного вида функции f(x1;x2) для будущих исследований, проведём оптимизацию функции экспериментальным путём: при фиксированном значении х1 = const, организуем уменьшение параметра х2 = t. То есть необходимо так улучшить индивидуальную образовательную траекторию за счёт устранения потерь, чтобы один и тот рейтинг х1 = Rc мог быть достигнут студентом за более короткие сроки.
2.4 Внедрение улучшений в индивидуальную образовательную траекторию.
В соответствии с основным принципом бережливого производства [4], каждый процесс должен быть нацелен на производство добавленной ценности. Как показано выше, процессы «Повторить лекцию» и «Прорешать текущее домашнее задание» (в таком неудачном фактическом размещении -см. Приложение А) не приносят добавленной ценности (компетенций).
В целях устранения выявленных потерь (1) и (2) принято решение убрать из ПСЦ эти процессы и ввести такой вид аудиторной работы, как контролируемая самостоятельная работа (КСР) с частотой один раз в две недели. Посещение КСР для обучающихся является столь же обязательным, как посещение семинаров и лекций. На КСР обучающиеся выполняют текущие домашние задания, задачи из типового расчёта, прорабатывают лекции, имеют возможность в оперативном режиме задавать уточняющие вопросы преподавателю, а преподаватель имеет возможность контролировать своевременность и правильность выполнения заданий обучающимися.
Таким образом, с учётом нововведения большая часть работы студента, которая могла бы быть «домашней», становится «аудиторной», при этом остаётся самостоятельной и контролируется преподавателем в режиме «online».
Предложенные изменения отражены в карте целевого ПСЦ (Приложение Б). На «дорожке» обучающегося с частотой один раз в две недели произошла замена последовательности двух процессов («Повторить лекцию» и «Прорешать текущее домашнее задание») на один процесс -«Поработать на КСР». При этом за счёт проведения КСР (по чётным номерам недель) учебный материал усваивается заблаговременно и разумными порциями. Как следствие, это приводит к уменьшению времени, затрачиваемому обучающимся на процессы «Повторить лекцию» и «Прорешать текущее домашнее задание» (по нечётным номерам недель, отмечены знаком *), - в пределе вдвое, а также в половине случаев вовсе 77-48211/586098, №06 июнь 2013 г. http://technomag.bmstu.ru 10
устраняет необходимость процессов исправления ошибок (в типовом расчёте или аттестационной работе).
Всё это привело к уменьшению метрик ПСЦ (см. таблицу 2): общее время обучения (параметр оптимизации х2 = t) гарантированно снизилось до 2120 мин. в модуле, а количество процессов обучающегося - до 33. Показано, что студенты на индивидуальной образовательной траектории могут достигнуть фиксированного рейтинга (параметр оптимизации за меньшее (оптимальное) время £ор1 = 2120 мин. Без введения КСР (т.е. без
оптимизации) они достигали бы такого же рейтинга за большее (неоптимальное) время.
Таблица 2 - Метрики целевого ПСЦ в первом модуле дисциплины
«Аналитическая геометрия»
Участники Метрики
Общее время на обучение, мин. Количество процессов, шт.
Обучающийся 2120 33
Преподаватель, ведущий семинарские занятия* Мт 1180 Мт 16
Преподаватель, ведущий лекции* 720 8
*) метрики остались неизменными
Таким образом, можно назвать перечень улучшений, реализованных в целевом ПСЦ за счёт введения нового вида занятий - КСР:
1. Уменьшено общее процессное время обучения в модуле на 240 минут при неухудшении рейтинга;
2. Уменьшено количество процессов обучающегося с 36 до 33 при неухудшении рейтинга;
3. Устранена неопределённость, обусловленная потерями (1) и (2), - в целевом ПСЦ преподаватель обладает достоверной информацией о том, кто и как прорабатывает материал самостоятельно;
4. Устранены потери типа ожидания;
5. Минимизированы потери типа избыточных запасов;
6. Перемещен влево на одну неделю срок (реальный) решения 1 -й и 2-й частей типового расчёта №1;
7. Увеличена вероятность своевременной сдачи модуля обучающимися (см. Заключение).
Заключение
В настоящей работе обоснована актуальность введения в инженерном образовании такого вида занятий, как контролируемая самостоятельная работа (КСР). Проведение КСР позволяет улучшить качество обучения при небольшом уменьшении процессного времени обучения, т.е. даёт ответ на вопрос (I) оптимизации образовательного процесса (см. Введение).
Обоснование проведено методами концепции бережливого производства [1] с привлечением инструментария математической теории оптимизации [8]. Проведено картирование учебного процесса, введена целевая функция качества обучения, выявлены три вида потерь, предложены семь улучшений.
Польза КСР, как основы предложенных улучшений, подтверждается практикой. Так, например, в 2012-2013 уч. гг., когда впервые в курсе «Аналитической геометрии» была введена КСР, по состоянию на конец 1 -го модуля в двух учебных группах, в которых ведёт семинары автор, зафиксирована досрочная сдача типового расчёта №1 у 70% студентов и своевременная сдача аттестации №1 большинством студентов. В предыдущие годы своевременная сдача типового расчёта №1 наблюдалась не более, чем у 50% студентов (сдача долгов происходила через небольшое время после планового срока).
Потенциал улучшения образовательных процессов на данный момент полностью не исчерпан и требует продолжения и детализации исследований в этом направлении.
В целом показано, что само применение принципов бережливого производства к улучшению учебного процесса может стать новым словом в инженерном образовании.
Список литературы
1. Соколов Н.К. 77-30569/324435 Синтез оптимальных траекторий обучения. «Инженерное образование», № 01, январь 2012.
2. Норенков И.П., Зимин А.М. Информационные технологии в образовании. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 352 с.
3. Бабанский Ю.К. Оптимизация процесса обучения. М.: Педагогика, 1977. - 257 с.
4. Вумек Джеймс П., Джонс Даниел Т. Бережливое производство. — М.: «Альпина Паблишер», 2011.
5. Тайити Оно. Производственная система Тойоты. — М: Издательство ИКСИ, 2012.
6. Программа учебной дисциплины «Аналитическая геометрия» для специальности «Энергетическое машиностроение» (141100). Димитриенко Ю.И., Облакова Т.В., Приказчиков Д.А., 2011.
7. Канатников А.Н., Крищенко А.П. Аналитическая геометрия. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 392 с.
8. Аттетков А.В. Введение в методы оптимизации: учеб. пособие / А.В. Аттетков, В.С. Зарубин, А.Н. Канатников. - М.: Финансы и статистика; ИНФРА-М, 2008. - 272 с.: ил.
9. Татур Ю.Г. Образовательный процесс в вузе: методология и опыт проектирования: учебное пособие - М. : Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, 2009. - 264 с.: ил.
