CC BY
50
ФИЛОСОФСКИЕ НАУКИ
УДК 378.016: 621.383
А.И. Цаплин
ПРОБЛЕМЫ ПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРА XXI ВЕКА
Проблемы подготовки инженеров обсуждаются на примере фотоники - области науки и техники, занимающейся разработкой оптических устройств различного назначения. Отмечается значительный прогресс в развитии этого направления, связанного с высокими скоростями передачи информации в волоконно-оптических системах, концентрацией энергии в волоконных лазерах.
Подготовка инженеров в этом направлении наиболее эффективна в рамках кластера, объединяющего предприятия, вузы и академические подразделения. Гарантией успешного обучения является научно-исследовательская работа, интеграция и гуманитаризация высшего образования.
Ключевые слова: фотоника, научно-исследовательская работа, высшее образование, интеграция, гуманитаризация.
Технологические потребности глобальной экономики XXI века изменяют характер инженерного образования, требуя, чтобы инженер владел гораздо более широким спектром ключевых компетенций, чем при узкоспециализированном освоении научно-технических и инженерных дисциплин. Растущее осознание важности технологических инноваций для конкурентоспособности экономики и национальной безопасности требуют новых приоритетов для инженерной деятельности.
Английский физик Джон Бернал, один из создателей концепции научно-технической революции, говорил: «Труднее увидеть проблему, чем найти ее решение. Для первого требуется соответствующее восприятие и воображение, а для второго только умение» [1]. Это высказывание подтверждается эволюцией развития проблемы на примере фотоники — области науки и техники, которая занимается изучением фундаментальных и прикладных аспектов теории света, разработкой и созданием оптических, электрооптических и оптоэлек-тронных устройств различного назначения.
Первые представления о волновой природе света были сформулированы в XVII веке нидерландским ученым Х. Гюйгенсом, который усовершенствовал телескоп, открыл кольцо у Сатурна и его спутник Титан. Но принцип Гюйгенса не объяснял прямолинейное распространение света. Это объяснение было дано позднее, в начале XIX века, французским физиком О.Ж. Френелем на основе
© Цаплин А.И., 2015
Цаплин Алексей Иванович - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой общей физики, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»; e-mail: [email protected].
принципа интерференции — сложения световых волн. Идея усиления света продемонстрирована расчетом дифракционной картины, основанным на разделении волновой поверхности на зоны. Изобретенные им интерференционные приборы — линзы, зеркала, бипризмы были устройствами, усиливающими энергию света и объясняющими явления лучевой оптики. Однако по-прежнему свет воспринимался как малоэнергетическая среда волновой природы, имеющая информационное, а не энергетическое значение. Это подтвердилось и в виртуозных опытах русского физика П.Н. Лебедева в конце XIX века по определению очень малых значений давления света, объясняющих, тем не менее, математическую теорию британского физика Д.К. Максвелла об электромагнитной природе света.
Уединенная волновая структура электромагнитного излучения — солитон, обладающая свойствами устойчивой частицы (кванта энергии), была открыта еще в первой половине XIX века, однако зарождение квантовой физики связывают с выступлением немецкого физика М. Планка на заседании Берлинского физического общества в 1900 году. С развитием квантовой физики квант электромагнитного излучения, который в 1926 году американским физиком Г. Льюисом был назван фотоном, становится объектом пристального внимания не только ученых.
Одним из первых предсказал возможность значительного усиления энергии фотонов не ученый, а писатель А.Н. Толстой, который завершил в 1927 году свой фантастический роман «Гиперболоид инженера Гарина». На его создание писателя вдохновила не только грандиозная башня, построенная по проекту архитектора В.Г. Шухова в Москве и имеющая форму двойного гиперболоида. На основании достижений квантовой физики он предсказал возможность значительной концентрации световой энергии.
И только 30 лет спустя решение проблемы усиления света в лазере сформулировал Гордон Голд, выпускник Колумбийского университета. Само английское слово LASER представляет собой аббревиатуру фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», которая дословно переводится, как «усиление света за счет вынужденного испускания излучения». Если излучение попадает в сверхвысокочастотный (микроволновый) диапазон, то усилитель такого типа называют мазерным. Соответствующий акроним (англ. maser) получен из предыдущего заменой слова Light на Microwave. Таким образом, акроним «лазер» следует применять только по отношению к генераторам видимого излучения. Однако название «лазер» используется для обозначения устройств, испускающих любое вынужденное излучение. Чтобы уточнить тип излучения, говорят, соответственно, о лазерах инфракрасного, видимого, ультрафиолетового или рентгеновского диапазонов [2].
Теоретические работы Чарльза Таунса совместно с Артуром Шавловым способствовали популяризации идеи лазера в научных кругах и вызвали бурный всплеск экспериментальных исследований, направленных на создание работающего лазера. В 1960 году Т. Мэйман создал первый в мире рубино-
вый лазер. В этом же году Ч. Таунс продемонстрировал работу гелий-неонового лазера. В СССР оптические квантовые генераторы света разрабатывали А.М. Прохоров и Н.Г. Басов. Разработка оптических квантовых генераторов-лазеров А. М. Прохоровым, Н. Г. Басовым и Ч. Таунсом была отмечена Нобелевской премией по физике.
Первоначально лазер представлял собой коммуникационный световой источник, не имеющий подходящей среды передачи излучаемой энергии. Идея, что свет могут проводить тонкие стеклянные волокна за счет полного внутреннего отражения, была известна с XIX века из работ английского физика Дж. Тиндаля. Однако в 1960-х годах даже лучшие стекла сильно ослабляли свет, пропускаемый через волокно, что значительно ограничивало длину распространения световой энергии. Волокна успешно применялись для передачи изображения на небольшие расстояния, например, в медицине для визуального наблюдения внутренних органов человека. Термин «волоконная оптика» впервые появился в 1956 году в работе индийского физика Н. Капани, который разработал стеклянные волокна в стеклянной оболочке с различающимися показателями преломления волокна и оболочки.
В 1966 году Ч. Као и Дж. Хокхэм, работавшие в английской лаборатории телекоммуникационных стандартов, опубликовали фундаментальную работу, в которой показали, что если в плавленом кварце тщательно устранить примеси, а волокно окружить оболочкой с меньшим показателем преломления, то можно добиться уменьшения ослабления до 20 дБ/км (эта единица ослабления связана с именем шотландского изобретателя А. Белла, изучавшего в конце XIX века затухающие колебания). Это означает, что при прохождении участка волокна длиной 1 км мощность пучка ослабляется до одной сотой входной мощности. За этот результат китайский ученый Ч. Као позднее, в 2009 году, получил Нобелевскую премию по физике.
В 1977 году были получены волокна с потерями в 0,20 дБ/км. Это очень маленькая величина, она определяется фундаментальными механизмами оптических потерь в стеклах. Уровень оптических потерь достиг фундаментального предела — 0,16 Дб/км на длине волны инфракрасного излучения 1,55 мкм, что соответствует ослаблению света в 2 раза на расстоянии 18 км.
С разработкой двойных гетероструктур под руководством Ж.И. Алферова в 1970 году появились полупроводниковые лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре. С этого момента началось быстрое развитие волоконно-оптических систем передачи информации. Использование уплотнения оптических каналов (мультиплексирования) позволило повысить пропускную способность волоконно-оптических систем до значительных величин. На Всероссийской конференции по волоконной оптике в 2013 году в докладе академика РАН Е.М. Дианова «На пороге пета-эры» сообщалось о достижении в ближайшее время скорости передачи информации 1015 бит/с [4].
Развитие волоконно-оптических систем связи с высокой скоростью передачи информации потребовало создания эффективных волоконных лазеров и усилителей мощности излучения, совместимых с такими системами.
Впервые волоконный лазер создан Э. Снитцером в 1961 году, когда была продемонстрирована лазерная генерация в стекле, легированном ионами редкоземельного элемента ниодима [4]. Активный элемент лазера представлял собой стеклянную нить, покрытую оболочкой из стекла с пониженным показателем преломления. Развитие технологии получения волоконных световодов и полупроводниковых источников накачки позволило вернуться к идее волоконного лазера на качественно новом уровне.
Прорыв в лазерной физике ознаменовало появление волоконных лазеров, выходная мощность непрерывного излучения которых за последние 10 лет была увеличена с нескольких сотен ватт до нескольких десятков киловатт (на конференции по волоконной оптике в 2013 году сообщалось о передаваемой мощности 70 кВт). Беспрецедентно стремительный рост выходной мощности волоконных лазеров сдерживается, по мнению производителей, не возможностями реализации, а наличием платежеспособного спроса [3].
Такой быстрый прогресс в росте выходной мощности объясняется, прежде всего, разработкой улучшенной структуры активных волоконных световодов и успехами в создании систем накачки на основе лазерных диодов. Крупнейшая акционерная американская компания IPG Photonics, руководителем которой является выпускник московского «физтеха» В. Гапонцев, контролирует 80 % мирового рынка волоконных лазеров.
Идея усиления света, предложенная О. Френелем, а также интерференционный метод анализа кристаллической структуры металлов с использованием недавно открытых рентгеновских лучей, предложенный австралийским физиком У. Брэггом в 1912 году, легли в основу формирования резонатора (усилителя света) непосредственно в волоконных световодах.
Волоконная брэгговская решетка представляет собой участок волокна, в сердцевине которого индуцирована периодическая структура показателя преломления стекла [5]. Запись этой структуры основана на явлении фотореф-рактивности легированного кварцевого стекла, т. е. его способности изменять показатель преломления под действием внешнего ультрафиолетового излучения. В общем случае под фотоиндуцированной внутриволоконной брэгговской решеткой показателя преломления следует понимать отрезок волоконного световода с определенной амплитудой модуляции показателя преломления в све-товедущей области и периодом порядка длины волны распространяющегося излучения (длина волны видимого излучения ~ 0,5 мкм).
Волоконные брэгговские решетки начинают находить широкое применение в различных устройствах волоконной оптики. Прежде всего, они используются в различных типах усилителей мощности в качестве селективных отражателей, образующих резонатор в волоконных лазерах.
Прогрессирующие темпы развития оптоволоконной техники предполагают новые подходы к обучению специалистов этого направления в современных условиях. Наиболее полно как потребностям работодателя, так и интересам студентов отвечает переход от традиционной системы инженерного образования к уровневому образованию [6]. Студенты имеют возможность осознанно выбирать профиль обучения на старших курсах бакалавриата, координировать свои жизненные планы с возможными изменениями на рынке труда. Дальнейшее обучение в магистратуре не привязывается строго к определенным предметам, а вовлекает магистрантов в творческий процесс, развивая у них положительную мотивацию к самообразованию. Разумеется, обучение должно быть инновационным и проблемно ориентированным. Это способствует более активному сотрудничеству с предприятиями-партнерами.
В наукоемких производствах профессиональные компетенции выпускника, диктуемые работодателем, предполагают развитие инновационных направлений при сохранении высокого уровня физико-математической подготовки [7]. Примером такого работодателя с наукоемким производством является Пермская научно-производственная приборостроительная компания (ПНППК), разрабатывающая навигационные приборы и системы для объектов вооружений, военной и специальной техники воздушного, морского и наземного базирования. ПНППК инициировала формирование на территории Пермского края инновационного территориального кластера волоконно-оптического приборостроения, объединяющего вузы и академические подразделения.
В рамках этого кластера в Пермском национальном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ) начато обучение магистров по программе «Материалы и технологии волоконной оптики». Компетенции магистров предполагают готовность к профессиональной эксплуатации современного технологического оборудования для производства специальных волокон, способность использовать нелинейные оптические эффекты при их конструировании и производстве, современные методы измерения характеристик специальных волоконных световодов и кабелей. Эти компетенции закрепляются в основной образовательной программе подготовки магистра в дисциплинах: «Специальные разделы проектирования приборов и систем», «Математические методы компьютерных технологий в научных исследованиях», «Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики», «Специальные разделы оптического материаловедения» и др.
Совместно с научным центром волоконной оптики (НЦВО РАН, г. Москва) начато обучение по новой программе «Волоконные лазеры», в которой имеются дополнительные к предыдущей программе дисциплины: «Физические основы волоконной оптики», «Технологии активных световодов», «Непрерывные волоконные лазеры», «Импульсные волоконные лазеры». Интерес к этому направлению обучения объясняется не только ростом входной мощности воло-
конных лазеров, но и стремительным их распространением в различных областях техники и медицины.
Реализация компетентностного подхода потребовала широкого использования в учебном процессе активных и интерактивных форм проведения занятий, переноса центра тяжести учения на самостоятельную работу студентов, на развитие механизмов их самообразования и формирование новой информационной культуры, которым новый стандарт отдает предпочтение.
Гарантией успешного обучения в университете является научно-исследовательская работа студентов и преподавателей, организованная не только по фундаментальным научным проблемам, но и по прикладным проблемам предприятия-работодателя. Так, совместные исследования по тематике ПНППК проводятся по четырем направлениям: оптические волокна — технологии и конструкции; волоконно-оптический гироскоп — компоненты, конструкции и технологии; волоконно-оптические датчики на брэгговских решетках; волоконные лазеры и активные волокна. Обучение планируется на основе долгосрочного договора ПНИПУ с ПНППК и НЦВО РАН в соответствии с программой развития отрасли. Интеграция осуществляется на основе согласованных с предприятием учебных планов и программ теоретических дисциплин при рациональном соотношении количества преподавателей университета и привлекаемых специалистов промышленности. В учебном процессе и в ходе научно-производственной деятельности студентов используется не только лабораторное оборудование университета, но и богатая материально-техническая база предприятия, включая уникальное технологическое оборудование и образцы новой техники.
К инженеру XXI века предъявляются принципиально новые требования, так как содержание труда в современных условиях измеряется не только и не столько степенью его интенсивности, сколько уровнем проявления творчества. Положенная в основу учебного процесса методология творческой деятельности требует формирования как профессиональных, так и мировоззренческих, нравственных и волевых качеств, а также духовного развития человека.
В развивающей парадигме высшего образования особое значение придается его гуманитаризации, которая направлена на формирование творческой личности специалиста с высокой профессиональной компетентностью, развитие его эстетического мировосприятия и этического отношения к действительности. Гуманитаризация высшего образования — это не дополнительное введение в учебные планы предметов гуманитарного цикла или более углубленное их изучение. Это проблема формирования у студентов гуманитарного стиля мышления, основанного на признании противоречивости, изменчивости, неисчерпаемости как мира, так и познавательного процесса, отрицающего заложенную в технократическом мышлении однозначность.
Интеграционная система с «погружением» студентов в профессиональную среду в рамках кластера волоконно-оптического приборостроения пре-
вращает студента из объекта обучения в активного субъекта образовательного процесса, формирует в сознании студента представление о творчестве как основе его профессиональной культуры и деятельности. Решение проблем организации такого обучения позволит повысить качество подготовки выпускников и обеспечить национальную экономическую систему успешными и конкурентоспособными работниками.
Список литературы
1. Бернал Дж. Наука в истории общества. - М.: ИЛ, 1956. - 736 с.
2. Цаплин А.И. Фотоника и оптоинформатика. Введение в специальность: учеб. пособие. — Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. — 399 с.
3. Четвертая Всероссийская конференция по волоконной оптике // Фотон-экспресс, 2013. — № 6 (110). — С. 1—338.
4. Курков А. С., Дианов Е.М. Непрерывные волоконные лазеры средней мощности // Квантовая электроника. — 2004. — Т. 34, № 10. — С. 881—900.
5. Волоконные решетки показателя преломления и их применение / С.А. Васильев, О.И. Медведков, И.Г. Королев, А.С. Божков, А.С. Курков, Е.М. Дианов // Квантовая электроника. — 2005. — Т. 35, № 12. — С. 1085—1103.
6. Реализация вузами ФГОС ВПО. Образование в области приборостроения и оптотехники / под ред. А.А. Шехонина, В.А. Тарлыкова. — СПб.: Изд-во нац. исслед. ун-та информ. технологий механики и оптики, 2012. — 280 с.
7. Цаплин А.И. Проблемы физико-математической подготовки студентов в условиях уровневой образовательной системы // Высшее образование в России. — 2013. — № 11. — С. 79—84.
Получено 20.01.2015
A.I. Tsaplin
THE PROBLEM OF TRAINING OF ENGINEER 21 CENTURY
The engineer's training problems are discussed on the example of Photonics - the field of science and technology for the development of optical devices for various purposes. There has been significant progress in this direction in recent years, associated with high speed data transmission in fiber-optic systems, the concentration of energy in fiber lasers.
Training of engineers in this direction is most effective within a cluster bringing together businesses, universities and academic units. Guarantee of success is the scientific-research work, integration and humanitarization of higher education.
Keywords: Photonics, scientific-research work, higher education, integration, humanitarization
