CC BY
87
удк 378126 С.И. Маслов, С.В. Серебрянников, А.И. Тихонов
ББК 74.584(2) ’ гг >
Российское инженерное образование: вызовы и новые подходы на основе информационных технологий
Анализируются причины кризисных явлений, характеризующих современное состояние российской системы подготовки инженерных кадров, и возможные пути выхода из кризиса на основе целесообразного применения средств информатизации. Рассматриваются новые подходы к организации и осуществлению образовательного процесса на примере Национального исследовательского университета «МЭИ».
Ключевые слова: инженерное образование, открытое образование, информационная образовательная среда, дистанционное обучение, смешанное обучение.
RUSSIAN ENGINEERING EDUCATION: CHALLENGES AND NEW APPROACHES BASED ON INFORMATION TECHNOLOGIES
The reasons of the crisis phenomena in Russian engineering education are analyzed. The article offers possible ways of recovery from the crisis on the basis of information technologies. New approaches to the organization and implementation of educational process on example of National research university “Moscow Power Engineering Institute” are considered.
Keywords: Engineering education, open education, virtual learning environment, distant learning, blended learning.
Введение
Российская система инженерного образования традиционно строится на органичном сочетании научных исследований, теоретического обучения, практической подготовки и воспитания будущих создателей новой техники, технологов, специалистов по эксплуатации и обслуживанию технических устройств, систем и комплексов. Общеизвестны успехи этой системы, получившей мировое признание. Вместе с тем социально-экономические преобразования начала 90-х годов прошлого века привели к резкому уменьшению государственного финансирования и, соответственно, материально-технического обеспечения вузов, лишившихся к тому же тесной связи и поддержки предприятий, для которых они готовили молодых специалистов. Эти кардинальные изменения внешней среды не были своевременно восприняты вузами, продолжавшими подготов-
ку выпускников для работы на конкретных предприятиях и в организациях, которые меняли направление своей деятельности или вообще перестали существовать.
Резкое ухудшение материального положения профессорско-преподавательского состава вузов привело к оттоку молодых преподавателей и значительному увеличению среднего возраста оставшихся, который быстро достиг пенсионного. В этих условиях трудно рассчитывать на инновационные прорывы и кардинальное улучшение положения.
Выделение группы ведущих университетов и существенная государственная поддержка программ их развития может оказаться действенной только в том случае, если наряду с традиционными будут применяться новые формы и технологии организации и ведения образовательного процесса.
В предлагаемой статье обсуждаются проблемы и подходы к по-
вышению эффективности и снижению трудоемкости ведения образовательного процесса в вузах инженерного профиля на основе целесообразного применения средств информационных технологий. Эти подходы иллюстрируются примерами инноваций в организации образовательного процесса и разработках средств его обеспечения, выполняемых в течение ряда лет в Национальном исследовательском университете «МЭИ».
1. Вызовы и проблемы инженерного образования
Образование становится социальным благом только в том случае, если отвечает насущным потребностям личности, общества и государства. Быстрое изменение техносферы не позволяет рассчитывать на то, что единожды полученный багаж знаний и компетенций обеспечивает инженеру возможность заниматься профессиональной деятельностью в течение сколь-либо
Сергей Ильич Маслов,
д.т.н. профессор, проректор Тел.: 8 (495) 362-89-07 Эл. почта:[email protected] Национальный исследовательский университет «МЭИ» http://www. mpei.ru
Sergey I. Maslov,
D.Sc. in engineering, Professor, Deputy Rector Tel.: 8 (495) 362-89-07 E-mail: [email protected] National research university “MPEI” http://www. mpei.ru
Сергей Владимирович Серебрянников,
д.т.н. профессор, ректор Тел.: 8 (495) 362-56-50, Эл. почта: [email protected] Национальный исследовательский университет «МЭИ» http://www. mpei.ru
Sergey V. Serebriannikov,
D.Sc. in engineering, Professor, Rector Tel.: 8 (495) 362-56-50 E-mail: [email protected] National research university “MPEI” http://www. mpei.ru
продолжительного времени. От инженеров требуется практически постоянное обновление ранее полученных знаний и навыков. Соответственно трансформируются задачи учебных заведений - в современных условиях необходимо выделить относительно неизменную (фундаментальную) составляющую образовательного процесса, которая должна быть освоена студентами в полной мере безотносительно профиля подготовки в рамках конкретного направления подготовки. Столь же необходимо обеспечить освоение студентами базовых знаний и компетенций, характеризующих выбранный ими профиль подготовки. Наконец, что особенно важно, студенты должны получить навыки самообучения, что необходимо им для успешной работы в условиях быстрого обновления научных знаний, развития техники и технологий.
В современных условиях новые научные знания и разработки наиболее успешно развиваются на стыках наук. Так, в настоящее время затруднительно найти успешную разработку новой технической системы, которая бы не содержала в своем составе многочисленные датчики, микроконтроллеры, сигнальные процессоры и другие средства контроля и управления. Появление новых функциональных или конструкционных материалов существенно изменяет облик технических устройств или систем. Настоятельно требуется соответствующая подготовка специалистов, способных к профессиональной деятельности в реальной междисциплинарной среде.
Вместе с тем образовательный процесс в российских вузах осуществляется большим числом кафедр, которые часто борются друг с другом за учебную нагрузку для сохранения кадрового состава преподавателей, несмотря на то что оплата труда этих преподавателей крайне низка. Являясь фактически конкурентами, кафедры слабо взаимодействуют друг с другом. В результате растет трудоемкость проведения учебных занятий, поскольку возникает большое число частных учебных дисциплин. Содержа-
ние обучения в этих условиях может дублироваться в разных дисциплинах, неэффективно используется материально-техническая база и аудиторный фонд вуза. Так, например, в соответствии с действующими учебными планами в НИУ МЭИ занятия проводятся 63-мя кафедрами по 1300 дисциплинам бакалавриата и 940 дисциплинам магистратуры. Для сравнения, в МГТУ им. Н.Э. Баумана более 80-ти кафедр, в Томском политехническом университете - 96, а в Санкт-Петербургском политехническом университете более 140 кафедр!
Малым по численному составу кафедрам, созданным в свое время по принципам принадлежности к той или иной отрасли государственной промышленности, затруднительно удовлетворять постоянно изменяющиеся запросы многочисленных работодателей по подготовке кадров, а также получать государственную поддержку в проведении фундаментальных исследований и заказы от промышленности на выполнение НИОКР. Еще труднее выполнять полученные заказы на высоком уровне, поскольку на ряде кафедр отсутствуют сотрудники научного штата. Как правило, для выполнения НИОКР формируются междисциплинарные коллективы, в которых представлены сотрудники нескольких кафедр.
Присоединение России к Болонскому процессу в 2003 году сформировало для российского высшего технического образования новый вызов международного масштаба [1]. Справедливости ради следует отметить, что тенденции интеграции с международной системой высшего образования наметились в России гораздо раньше. Начиная с 1992 года в практику российских вузов была введена многоуровневая система подготовки, в том числе инженерных кадров. В соответствии с этой системой, наряду с моноуровневой подготовкой специалистов продолжительностью 5-5, 5-6 лет, осуществлялась подготовка по схеме бакалавриат (4 года) - магистратура (2 года). Эта схема в своем завершенном состоянии нашла отражение в государственных образовательных
Антон Иванович Тихонов,
к.т.н., профессор Тел: 8 (495) 362-72-47 Эл. почта: [email protected] Национальный исследовательский университет «МЭИ» http://www. mpei.ru
Anton I. Tihonov,
PhD in Technical Sciences, Professor Tel.: 8 (495) 362-72-47 E-mail: [email protected] National research university “MPEI” http://www. mpei.ru
стандартах (ГОС) второго поколения, которые вступили в действие в 2000 году. Эти стандарты обеспечивали значительную свободу вузам и обучающимся в них студентам в выборе образовательных траекторий.
Действительно, гармонизируя фундаментальную подготовку по монопрограммам и программам бакалавриата, вуз может предоставить студентам возможности завершения обучения после первых четырех лет с получением степени бакалавра техники и технологий по определенному направлению или выбора одного из двух вариантов продолжения обучения: в специ-алитете (как правило, продолжительностью 1,5 года) или в магистратуре (2 года). При этом специа-литет ориентирован, прежде всего, на подготовку инженеров, а магистратура - на восполнение научнопедагогических кадров.
В МЭИ такая схема применялась в организации и проведении образовательного процесса начиная с 1992 года. Накопленный опыт многоуровневой подготовки инженерных и научных кадров позволяет утверждать, что структура образовательного процесса не является определяющим фактором в достижении высокого качества подготовки выпускников. Главное внимание здесь следует уделять содержанию, материально-техническому и кадровому обеспечению, а также технологиям обучения.
Российские федеральные государственные образовательные стандарты высшего профессионального образования (ФГОС ВПО), введенные в действие в сентябре 2011 года, по большинству направлений подготовки в области техники и технологий предусматривают двухуровневую схему высшего профессионального образования. В соответствии с этой схемой обучение студентов осуществляется на первом уровне в бакалавриате продолжительностью 4 года и на втором уровне в магистратуре в течение 2 лет. Специалитет сохраняется для ограниченного числа направлений подготовки, прежде всего связанных с воспроизводством инженерных кадров для военно-
промышленного комплекса и обеспечения безопасности.
Проблема состоит в том, чтобы не потерять традиции и научнопедагогические школы подготовки инженеров в рамках двухуровневого высшего профессионального образования. Угроза такой потери реальна: по замыслу разработчиков ФГОС ВПО бакалавриат ориентирован на овладение базовыми общекультурными и профессиональными компетенциями, характерными для конкретного направления подготовки, и в малой степени обеспечивает профилизацию обучающихся в соответствии с многообразными запросами работодателей.
По мнению авторов данной статьи, возможны два пути подготовки инженерных кадров в условиях двухуровневого высшего профессионального образования. Во-первых, доведение выпускников бакалавриата до уровня требований конкретных работодателей можно проводить по программам дополнительного профессионального образования, разработанным учебными заведениями совместно с работодателями. Продолжительность таких программ может колебаться от одного до двух учебных семестров. Вторая, более очевидная возможность, состоит в подготовке инженеров-разработчиков новой техники и технологий, а также инженеров-исследователей в рамках магистратуры.
Вызовы и проблемы инженерного образования, рассмотренные выше, по сути своей являются внешними, формируемыми вне образовательной среды.
Вторая группа вызовов и проблем имманентно присуща самой системе инженерного образования и связана с формами организации и обеспечения образовательного процесса, сложившимися и применяемыми большинством вузов в течение десятилетий, несмотря на кардинальные изменения средств и способов информационного обмена между преподавателями и студентами.
Прежде всего, следует упомянуть повсеместно распространенный способ организации учебных занятий для групп студентов посто-
янного состава по всем изучаемым дисциплинам и по единому для всех расписанию. При этом все студенты имеют различную начальную подготовку, разные индивидуальные способности, по-разному мотивированы. Поэтому усвоение учебного материала студентами происходит с разными затратами времени. Преподаватели вынуждены ориентироваться на наиболее слабых студентов. Сильные, хорошо подготовленные учащиеся быстро «выпадают» из учебного процесса. С ними требуется заниматься индивидуально, что с неизбежностью увеличивает трудоемкость учебных занятий, если проводить их с применением традиционных образовательных технологий.
Лекции традиционно рассматриваются в вузах как основной вид учебных занятий, предназначенный для передачи знаний от преподавателя к студентам. В то же время нельзя не отметить, что запись конспекта лекций под диктовку преподавателя с перерисовыванием схем, таблиц и графиков, изображаемых им на доске, не является самым эффективным способом получения информации. Не спасает, а может быть, даже усугубляет ситуацию применение лекторами компьютерного и мультимедийного оборудования в рамках традиционных образовательных технологий. Для современных студентов, привыкших самостоятельно находить информацию в интернете и получать ее с экрана компьютера, традиционные лекции оказываются малопривлекательными. Настоятельно требуется пересмотр места, роли и объема лекционных занятий в структуре учебного процесса. В современных условиях целесообразно на лекциях давать обзор изучаемого учебного материала, технологию его освоения и обучать студентов приемам самостоятельной учебной работы, включая верификацию информации, получаемой из различных источников, и интерпретацию получаемых результатов.
Лабораторный практикум является центральным и важнейшим компонентом инженерного образования. Вместе с тем затраты на оборудование, обслуживание и обнов-
ление учебных лабораторий в вузах весьма высоки, не говоря уже об уникальном научном оборудовании, которое необходимо применять на завершающих стадиях обучения. Большинство российских вузов, лишенных материальной поддержки со стороны промышленности, не имеют реальных возможностей для обновления учебных лабораторий современным оборудованием. В этих условиях получили значительное развитие виртуальные лабораторные практикумы, в которых изучаемые объекты заменяются их компьютерными моделями, имитирующими поведение реальных объектов в конкретных условиях.
Несмотря на многие положительные свойства имитационных компьютерных моделей, они имеют ограниченную область применения и не могут заменить изучаемые объекты в полной мере, а целый ряд объектов и вовсе не имеет достоверного математического описания. По этим причинам виртуальный лабораторный практикум целесообразно рассматривать только как дополнение к лабораторным работам, выполняемым на реальном оборудовании.
Еще одной проблемой является неэффективное использование имеющегося в распоряжении кафедр лабораторного оборудования. Особенно это касается выпускающих кафедр, которые осуществляют профильную подготовку студентов и часто вынуждены обеспечивать лабораторный практикум по нескольким дисциплинам для одной учебной группы только в одном семестре. В то же время при интенсивном использовании учебных лабораторий появляется другая проблема - части студентов приходится выполнять лабораторные работы до лекционных занятий, на которых изучаются объекты, исследуемые в лабораториях.
В целом необходимо существенно изменить организацию и проведение лабораторных практикумов, с тем чтобы они отвечали современным требованиям и были доступны большинству вузов, осуществляющих подготовку специалистов в области техники и технологий.
В современных условиях наблюдается быстрое обновление информации, которая используется в процессе обучения. Учитывая высокую стоимость подготовки, тиражирования и доставки традиционных печатных изданий, невозможность оперативного внесения изменений в уже изданную учебную литературу, следует признать, что существует проблема снабжения учащихся необходимыми в обучении учебниками, учебными и методическими пособиями. Как уже говорилось выше, современные студенты в своем большинстве привыкли получать информацию с экрана компьютера. При этом только небольшая часть этой информации представляется в виде текста. При разработке образовательных ресурсов следует принимать во внимание увеличение доли мультимедийного контента.
Кроме ранее отмеченной проблемы старения профессорско-преподавательского состава, налицо и другая острая проблема: приток молодых преподавателей - выпускников вузов и аспирантуры в целом является положительным фактом, который однако не может полностью компенсировать уход наиболее подготовленных специалистов среднего возраста на более престижную и высокооплачиваемую работу. Возникающий при этом разрыв поколений приводит в итоге к снижению интеллектуального потенциала всей системы профессионального (в нашем случае инженерного) образования.
Ответом на эти и другие вызовы и проблемы должно стать обновление традиционной образовательной системы, приведение ее в соответствие с реалиями окружающего мира, с насущными потребностями граждан, общества, государства.
2. Пути и принципы совершенствования инженерного образования
Действующая система подготовки инженерных кадров сформировалась в эпоху индустриализации и в основных своих чертах сохраняется без кардинальных изменений, несмотря на глобальные изменения, произошедшие в мире.
Традиционная система образования во главу угла ставит преподавателя, который передает свои знания студентам, творческий потенциал которых оказывается невостребованным в рутинной по большей части учебной работе. В то же время нельзя не заметить, что в современном мире преподаватель оказывается отнюдь не единственным источником информации для студентов. Существенную роль в обучении начинает играть самостоятельная работа студентов, обмен информацией между ними. Низкая трудоемкость и кустарный характер труда преподавателей в традиционной системе усугубляют глобальный кризис образования на фоне быстрого развития других областей человеческой деятельности, в которых революционные изменения технологий успешно воспринимаются и применяются.
Несмотря на глубокий демографический кризис, в котором пребывает современная Россия, только в профессиональной переподготовке и повышении квалификации ежегодно нуждаются до двух миллионов специалистов с высшим профессиональным образованием. При условии применения традиционных образовательных технологий это невыполнимая задача. В данном случае требуются новые подходы к организации и проведению учебного процесса, основанные на широком применении дистанционных образовательных технологий.
В современных условиях образование должно рассматриваться не только и не столько как овладение необходимым объемом учебной информации, а как развитие у учащихся в процессе обучения потребностей и способностей к самостоятельному получению новых общих и профессиональных знаний и умений при использовании многообразных источников информации. Изменение социальной практики и соответствующее изменение целей образования влечет за собой новое содержание образования и новые технологии работы с учебной информацией.
Образование как процесс овладения знаниями, формирования и
развития умений и навыков в значительной степени определяется поиском, передачей, накоплением, хранением, преобразованием и отображением информации. Поэтому совершенствование инженерного образования, повышение его эффективности необходимо жестко связать с широким целесообразным применением информационнокоммуникационных технологий. При этом под информатизацией образования следует понимать систему технологий и мероприятий, направленных на повышение качества и эффективности работы с информацией учебного назначения.
Как отмечалось в [2], конечная цель информатизации образования двояка. С одной стороны, применение средств информатизации должно упростить доступ граждан к получению или повышению ранее достигнутого уровня образования, а также более полно и оперативно удовлетворить их потребности в знаниях и умениях, что создает реальные предпосылки повышения качества образования. С другой стороны, целью информатизации является повышение производительности труда преподавателей и других работников образования при организации и проведении учебного процесса.
Комплексное применение информационных технологий позволяет перейти к практическому осуществлению идей открытого индивидуализированного фундаментального инженерного образования. Для этого необходимо:
• создать и развивать комплекс электронных образовательных ресурсов нового поколения, доступных в режиме реального времени территориально распределенным учащимся, и организовать учебный процесс на базе применения этих ресурсов;
• обеспечить возможности гибкого выбора содержания, форм и продолжительности обучения, учитывающие индивидуальные способности и потребности каждого учащегося;
• сосредоточить внимание учащихся на познании фундаментальных научно установленных закономерностей окружающего
мира, развития техники и технологий, которые не претерпевают существенных изменений в течение достаточно длительного времени, приемах и технологиях получения новых знаний, а также на практическом применении этих закономерностей в процессе обучения;
• отказаться от дробления образовательного процесса на большое число частных учебных дисциплин, в которых с различных сторон, с неизбежными повторами и несогласованностью рассматриваются одни и те же быстросменяемые объекты.
В решении этих и связанных с ними проблем предлагается следовать нескольким основным принципам, которые впервые были сформированы и апробированы при участии авторов данной статьи применительно к информатизации образования в области техники и технологий [3].
1. Принцип единства и комплексности объектов и процессов изучения, в соответствии с которым предлагается рассматривать учебный процесс как неразрывный во времени и в пространстве и комплексный по содержанию. Это подразумевает возможность работы учащегося на одном рабочем месте (в том числе и мобильном) без строгого разделения обучения на лекционные и практические занятия, на лабораторные работы и другие виды учебных занятий. При этом средства обучения нового поколения должны представлять собой функционально полный комплекс аппаратного, программного и методического обеспечения самостоятельной работы учащихся.
2. Принцип индивидуализации, практической направленности и активизации самостоятельной работы учащихся подразумевает, что в основе учебной работы должно находиться самостоятельное выполнение индивидуальных практических заданий, которое обеспечивается необходимым теоретическим материалом, аппаратными и программными средствами, консультационной поддержкой со стороны преподавателей и взаимодействием с другими учащимися. Все
перечисленные средства обеспечения учебной работы должны быть доступны учащимся в любое время и из любого места.
3. Принцип интеллектуализации объектов и средств обучения связывается с реализацией в процессе обучения возможности получения наиболее полной и достоверной информации об изучаемых объектах. При этом учащиеся должны иметь возможности и средства формирования и изменения условий функционирования изучаемых объектов и оперативного получения полной информации об их текущем состоянии. Интеллектуализация предполагает создание и применение в обучении математических, имитационных компьютерных и физических моделей изучаемых объектов, с которыми учащиеся могут взаимодействовать в интерактивном режиме.
4. Принцип распределения информационных и технических ресурсов говорит о том, что средства обучения могут находиться в различных образовательных учреждениях или других организациях, которые обладают соответствующими правами на их распространение и применение в обучении, обеспечивают сопровождение и развитие этих средств и предоставляют их другим учебным заведениям или отдельным гражданам на определенных условиях. Последовательная реализация этого принципа позволяет многократно увеличить объем образовательных ресурсов, реально доступных учащимся и преподавателям, повысить качество применяемых средств обучения, создать предпосылки для формирования единого образовательного пространства, в котором граждане могут наиболее полно реализовать свои потребности в получении и повышении ранее достигнутого уровня образования.
3. Особенности инженерного образования как объекта информатизации
Инженерное образование является своеобразным объектом информатизации [4].
Во-первых, в процессе обучения будущие инженеры должны
работать с количественными математическими и компьютерными моделями изучаемых технических объектов и систем, основанными на естественно-научных и математических закономерностях. Во-вторых, им приходится оперировать двух- и трехмерными объектами и соответствующими геометрическими моделями, включая их компьютерное представление. И наконец, подготовка инженера невозможна без выполнения лабораторных практикумов на реальном, часто весьма дорогостоящем, оборудовании.
Таким образом, в процессе обучения студенты технических вузов должны изучить и получить навыки практической работы с различными специальными средствами информатизации, среди которых программное обеспечение, применяемое для выполнения следующих работ:
• математических, инженерно-технических и научных расчетов и имитационного моделирования изучаемых объектов и процессов;
• графического моделирования и инженерного проектирования технических объектов, систем и комплексов;
• автоматизированного проектирования технических объектов и систем;
• управления технологическими процессами и техническими системами, включая управление инженерными и научными экспериментами.
Целесообразное применение перечисленных средств информатизации позволяет существенно увеличить количество параметров и внешних воздействий, принимаемых во внимание при оценке функциональных свойств изучаемых объектов, имитировать их работу в различных условиях, формировать и документировать проектные решения, повышать производительность труда при выполнении этих работ.
Многообразие специализированных средств информатизации и автоматизации инженерной деятельности делают актуальной проблему выбора таких средств, которые позволяли бы решать кон-
кретные задачи моделирования и проектирования с приемлемой эффективностью и стоимостью. Применительно к подготовке инженерно-технических кадров это означает, что студенты должны освоить подходы к проведению вычислительного эксперимента, анализу влияния на результаты выбора используемой модели, различного рода погрешностей, вносимых входными данными, алгоритмов и вычислительных методов, с помощью которых эти расчеты производятся.
4. Характеристика направлений и современного этапа информатизации образовательного процесса в НИУ «МЭИ»
ЭВМ применяются в образовании практически с первых шагов своего развития. Массовое использование информационных технологий в образовании началось с появлением персональных компьютеров и информационных сетей, обеспечивающих обмен данными между ними. Таким образом, можно считать, что современный этап информатизации инженерного образования в нашей стране длится с начала 90-х годов прошлого века.
Первое направление информатизации образовательного процесса связывается с обучением студентов основам алгоритмизации и базовым технологиям обработки числовой, графической и текстовой информации. На современном этапе при подготовке инженеров все большее внимание уделяется освоению навыков работы с универсальными и специализированными системами обработки данных. При этом средства информатизации выступают, прежде всего, в качестве объекта изучения.
Второе направление информатизации - это применение вычислительной техники для автоматизации проектирования, необходимой составной частью которого является математическое и компьютерное моделирование проектируемых объектов. Это одно из основных направлений научно-учебной деятельности коллективов большинства кафедр МЭИ, специали-
Рис. 1. Мониторинг качества электрической энергии трансформаторной подстанции РТП-34
зирующихся на подготовке разработчиков новой техники и технологий, - разработка моделей и алгоритмов проектирования специальных объектов (процессов, технологий). Средства информатизации выступают в качестве инструмента в решении учебных задач, прежде всего, применительно к выполнению курсовых и дипломных проектов. Значительная часть программных средств учебного назначения, разработанных и применяемых на кафедрах МЭИ, предназначаются именно для решения задач проектирования.
Третье направление информатизации учебного процесса в МЭИ концентрируется на решении задач автоматизации экспериментальных исследований и технологических процессов. Аппаратно-программные средства автоматизации эксперимента выступают в двоякой роли: как объекты и как средства изучения. Для данного направления характерно применение специальной аппаратуры - датчиков, преобразователей сигналов, специализированных интерфейсных устройств, обеспечивающих связь с компьютерами. Современное состояние этого направления информатизации в МЭИ характеризуется широким применением аппаратно-программных комплексов автоматизации эксперимента и производственных технологических процессов, выполненных в соответствии с международными стандартами, применяемыми в промышленной автоматике.
Наряду с этим МЭИ занимает лидирующие позиции среди российских вузов в области создания и применения специализированных аппаратно-программных средств автоматизированных лабораторных практикумов удаленного доступа к реальному оборудованию через интернет [3, 4]. Выполнение инновационной образовательной программы МЭИ в 2007-2008 годах позволило включить в число объектов изучения и производственное оборудование. Например, в настоящее время в режиме непрерывного мониторинга через интернет доступно оборудование одной из трансформаторных подстанций, обеспечивающих электроснабжение учебных корпусов университета (рис. 1). Таким образом, студенты имеют возможность оценивать качество потребляемой электрической энергии в реальном масштабе времени на реальном производственном объекте.
5. Особенности формирования информационных средств обеспечения учебного процесса в инженерном образовании
Современные информационные технологии обеспечивают практически мгновенную передачу больших объемов данных в любую точку Земли. В этих условиях, несомненно, должны измениться технологии работы с информацией в образовательном процессе. На смену традиционным печатным издани-
ям учебной литературы приходят электронные образовательные ресурсы (ЭОР), достоинствами которых являются:
• простота редактирования, тиражирования и доставки учащимся;
• разнообразие форм и способов представления информации;
• возможность внесения дополнений и изменений на всех этапах жизненного цикла ЭОР;
• интерактивность, в принципе позволяющая ЭОР адекватно реагировать на действия учащегося.
В этих условиях оказывается практически непродуктивным формирование информационных средств обеспечения учебного процесса путем прямого воспроизведения печатных изданий в электронной форме, поскольку так удается воспользоваться только первым из вышеназванных достоинств ЭОР.
Актуальным для инженерного образования является использование в ЭОР компьютерной графики, элементов анимации, видеофрагментов, например, поясняющих принципы действия изучаемых объектов, сложные технологические операции и др. Использование современных информационных средств, например для записи и публикации видеолекций, позволяет существенно снизить трудоемкость создания ЭОР, сделать их более наглядными и доступными для студентов.
Следует также отметить, что переход к электронным ресурсам снимает ограничения на объем учебных и методических ма-
териалов, характерные для традиционного процесса издания учебно-методической литературы, что позволяет оперативно создавать актуализируемые, наглядные, индивидуализируемые ЭОР
Наиболее эффективным способом активизации учебного процесса в инженерном образовании представляется введение в состав ЭОР интерактивных компьютерных моделей изучаемых объектов или процессов, что позволяет перейти к реализации концепции «живого» электронного учебника, задачника, «решебника» [6].
В данном случае удается заменить изучение статических по своей сущности математических моделей работой с имитационными компьютерными моделями, проводить многовариантные, а в ряде случаев и оптимизационные расчеты. Новое качество образовательного процесса при такой замене проявляется в возможности оперативно получать количественные оценки показателей изучаемых объектов, анализировать чувствительность показателей к изменению значений параметров и др.
Представляется целесообразным размещение расчетных моделей на серверах образовательного учреждения, организация взаимодействия с ними через браузер, что снижает трудозатраты на установку и сопровождение программного обеспечения на рабочих местах студентов.
В НИУ «МЭИ» накоплен значительный опыт подготовки и применения ЭОР, включающих имитационные компьютерные моде-
ли. В качестве примера необходимо назвать публикацию десятков компьютерных моделей (рис. 2) и электронных технических справочников, созданных в том числе на основе Mathcad Calculation Server (http://twt. mpei. ac.ru/ ochkov/VPU_ Book_New/mas/).
Современное состояние разработок ЭОР для инженерного образования в НИУ «МЭИ» представлено в справочном издании [8]. Описания 146 ЭОР в этом издании структурированы следующим образом:
• естественно-научные дисциплины - 24 описания;
• направление «Теплоэнергетика и теплотехника» - 20;
• направление «Ядерная энергетика и теплофизика» - 3;
• направление «Электроэнергетика и электротехника» - 17;
• направление «Радиотехника» -19;
• направления «Автоматизация и управление», «Информатика и вычислительная техника» - 19;
• направление «Электроника и микроэлектроника» - 7;
• гуманитарные и социальноэкономические дисциплины - 14;
• автоматизированный лабораторный практикум с удаленным доступом - 23 описания. Электронная версия этого издания находится по адресу: http://dot. mpei.ru/do/eres/edu2011.pdf .
6. Опыт дистанционного обучения в НИУ «МЭИ»
Первые попытки организации дистанционного обучения (ДО) в МЭИ датируются началом 90-х го-
дов прошлого века. Этот опыт оказался неудачным, поскольку в то время практически отсутствовали необходимые образовательные ресурсы и средства доступа к ним. Информационно-вычислительная сеть университета (ИВС) развивалась безотносительно к решению задач внедрения дистанционных технологий в образовании. На сегодняшний день ИВС МЭИ насчитывает более 4000 персональных компьютеров, подключенных к интернету.
Наиболее трудоемким этапом внедрения ДО в вузе является создание образовательных ресурсов, а также переподготовка преподавателей для ведения учебного процесса с применением дистанционных образовательных технологий. Эта задача рассматривается как приоритетная и решается в МЭИ с середины 1990-х годов. Электронный каталог образовательных ресурсов, в том числе применяемых в ДО, в настоящее время насчитывает более 1200 описаний электронных изданий и программных средств учебного назначения (http://ctl.mpei.ru/). За последние 5 лет более 300 преподавателей и сотрудников МЭИ повысили квалификацию в применении дистанционных образовательных технологий и разработке ЭОР
Правильнее было бы назвать технологии, применяемые в ДО МЭИ, смешанными (blended) [7], так как наряду с широким применением дистанционных используются и традиционные технологии проведения учебного процесса. Порядок дистанционного обучения
студентов МЭИ регламентируется приказом проректора по учебной работе. Основные условия проведения дистанционного обучения, установленные этим приказом, следующие:
• полный комплект учебнометодических материалов для самостоятельного изучения дисциплины, предоставляемый каждому студенту до начала занятий;
• проведение в течение семестра не менее пяти промежуточных этапов контроля знаний по каждой изучаемой дисциплине;
• возможность досрочной сдачи зачетов и экзаменов по дисциплинам, изучаемым с применением дистанционных образовательных технологий;
• ограничение количества студентов, одновременно обучаемых преподавателем по одной дисциплине, - не более 25 человек. Дистанционное обучение для
студентов МЭИ рассматривается как дополнительная образовательная услуга и проводится в виде дополнительных к основной образовательной программе индивидуальных учебных занятий с применением дистанционных образовательных технологий. Кроме того, преподаватели МЭИ внедряют элементы ДО в регулярный учебный процесс, осуществляя публикацию ЭОР, проводя проверку знаний студентов с использованием университетской системы дистанционного обучения (СДО).
Представленный выше порядок организации и проведения ДО реализуется в МЭИ начиная с осеннего семестра 2005/2006 учебного года. За это время дистанционно обучалось более 7 тысяч студентов. О желании проводить дистанционное обучение каждый семестр заявляют от 60 до 90 преподавателей по 30-40 дисциплинам.
Опыт дистанционного обучения в МЭИ показал, что применяемая его организация позволяла повысить ритмичность учебной работы студентов в течение семестра. Промежуточные проверки знаний не позволяют студентам расслабляться и позволяют снизить нагрузку в конце семестра как на студентов,
так и на преподавателей. Очные занятия проводятся в основном в форме консультаций, а также целенаправленного контроля знаний по разделам дисциплины.
Проведение ДО невозможно без информационной поддержки студентов и преподавателей, администрации вуза, осуществляемой с помощью веб-приложения http:// dot.mpei.ru/ и включающей в себя средства документооборота (генерация договоров на обучение по дисциплинам, отслеживание формирования групп, контроль выполнения студентами их учебного графика, публикация информации и т.д.). Информационная система оперативно адаптируется ко всем изменениям организации ДО. Это позволяет существенно снизить трудоемкость администрирования ДО, которое в МЭИ осуществляют три человека без отрыва от основной работы.
Рассмотренная выше организация ДО может служить прототипом для реорганизации учебного процесса в инженерном образовании на основе:
• полного обеспечения студентов ЭОР по всем изучаемым дисциплинам;
• увеличения числа этапов промежуточного контроля знаний по разделам дисциплин с использованием автоматизированных тестов с последующим целенаправленным применением традиционных методов для повышения степени усвоения учебного материала и ритмичности работы студентов в течение семестра;
• увеличения доли установочных лекций и консультационной поддержки студентов при увеличении числа студентов, одновременно изучающих конкретные дисциплины;
• широкого использования информационных систем поддержки учебного процесса, направленного на снижение его трудоемкости.
Эффективность смешанной технологии обучения напрямую зависит от своевременного обновления содержания ЭОР, тестов, индивидуальных заданий. В связи с
этим вызывают интерес средства генерации индивидуальных заданий в ЭОР по электротехническому материаловедению ^йр://еШ. mpei.ru), позволяющие оперативно и с умеренной трудоемкостью регулярно обновлять задания на проведение виртуальных лабораторных работ. В систему встроены средства, снижающие трудоемкость проверки отчетов по лабораторным работам и исключающие списывание.
Широкое распространение ноутбуков, планшетов и других гаджетов позволяет по-другому взглянуть на оборудование учебных аудиторий для применения информационных технологий в инженерном вузе. До настоящего времени для этого в основном использовались специально оборудованные компьютерные классы, подключенные к ИВС вуза. Для возможности использования студентами собственных вычислительных устройств достаточно оборудовать аудитории беспроводным доступом к интернету и электрическим питанием. Это приводит к существенной экономии средств, позволяет приспособить большинство аудиторий вуза для применения информационных технологий в учебном процессе, но требует реорганизации применения программного обеспечения (ПО). Если в стационарных компьютерных классах установка, сопровождение ПО осуществляется техническим персоналом вуза, то на вычислительных устройствах студентов установка и сопровождение ПО осуществляется ими самими. В связи с этим в учебном процессе в таких условиях целесообразно в основном применять веб-приложения, не требующие установки на компьютерах пользователей, а в прочих случаях организовать учет лицензий на программное обеспечение, установленное на компьютерах пользователей.
«Тяжелое» ПО, используемое при проведении инженерных расчетов, автоматизированного проектирования функционирует на виртуальных машинах, запускаемых на серверах университета, к которым студенты получают удаленный доступ.
Рис. 3. Схема функционирования автоматизированного лабораторного практикума удаленного доступа
7. Автоматизированный лабораторный практикум удаленного доступа
Лабораторный практикум является важнейшим и одновременно наиболее дорогостоящим компонентом инженерного образования. В МЭИ разработана и практически осуществлена концепция автоматизированного лабораторного практикума удаленного доступа, в соответствии с которой лабораторные работы выполняются многими учащимися практически одновременно с применением одного экземпляра оборудования. Концептуальной особенностью такого подхода является организация взаимодействия учащихся с лабораторным оборудованием: ресурсы оборудования занимаются каждым учащимся только в процессе выполнения конкретного задания, т.е. не более нескольких секунд. Все остальное время учащиеся работают автономно, подготавливая задания и обрабатывая полученные результаты на индивидуальных компьютерах.
В данном случае лабораторное оборудование снабжается автоматическими устройствами, выполняющими задания на проведение экспериментов, которые готовятся учащимися на удаленных компьютерах и передаются на сервер, обеспечивающий поочередное выполнение этих заданий. Результаты экспериментов передаются на компьютеры, с которых приходят задания [3]. На компьютерах учащихся размещаются программнометодические средства подготовки заданий, обработки экспериментальных данных, имитационного моделирования, подготовки отчетов, проверки знаний, учебнометодические материалы.
В рамках этой концепции эксперименты с реальным оборудованием сопровождаются компьютерным моделированием.
Несколько лет назад МЭИ совместно с компанией Festo инициировал организацию международной лабораторной сети для объединения ресурсов университетов раз-
ных стран в подготовке специалистов по разработке систем автоматического управления на базе современных технологий [8]. В настоящее время проект «Синергия» объединяет 7 университетов из четырех стран и обеспечивает доступ студентов любого университета через интернет к оборудованию объединенной лабораторной сети.
Состав и описания автоматизированных лабораторных практикумов, разработанных в МЭИ, представлены в [9]. МЭИ совместно с МГТУ им. Н.Э. Баумана сформировал и поддерживает работу портала лабораторного практикума удаленного доступа (http://www.pnab. т/ро11а1/).
Заключение
Проблемы традиционного инженерного образования в значительной степени определяются тем, что применяемые технологии организации и проведения учебного процесса не отвечают современным требованиям. Развитие инженерного образования на современном этапе немыслимо без повсеместного целесообразного применения разнообразных средств информатизации. Основными направлениями информатизации инженерного образования являются изучение и применение компьютерных средств обработки числовой, графической и текстовой информации, автоматизация проектирования, проведения инженерных расчетов и экспериментальных исследований. Особенность дистанционного обучения в инженерном образовании состоит в необходимости применения автоматизированных лабораторных практикумов удаленного доступа к реальному оборудованию по компьютерным сетям.
Литература
1. Основные тенденции развития высшего образования: глобальные и болонские измерения / под науч. ред.
В.И. Байденко. - М.: Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов, 2010.
2. Маслов С.И. Информатизация как неотъемлемый компонент современного инженерного образования // Труды Международной научно-методической конференции «Информатизация инженерного образования» ИНФО-РИНО-2012 (Москва, 10-11 апреля 2012 г.). - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - С. 79-82.
3. Новый подход к инженерному образованию: теория и практика открытого доступа к распределенным информационным и техническим ресурсам / Ю.В. Арбузов, В.Н. Леньшин, С.И. Маслов и др. - М.: Центр-Пресс, 2000.
4. Информационные технологии в инженерном образовании / под ред. С.В. Коршунова, В.Н. Гузненкова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.
5. Информатизация образования: направления, средства, технологии / под общ. ред. С.И. Маслова. - М.: Изд-во МЭИ, 2004.
6. Очков В.Ф., Лоскутова Т.М., Чжо Ко Ко. Справочники-решебники по теплоэнергетике // Теплоэнергетика. - 2010. - № 3. - С. 65-69.
7. Bielawski L., Metcalf D. Blended eLearning. Integrating Knowlledge, Performance, Support, and Onlliine Learning.
- Amherst, Massachussets, USA, HRD Press Inc, 2003.
8. Смирнов М.Ю., Москвин В.Г. Опыт создания международной межуниверситетской лабораторной сети в рамках проекта «Синергия» // Труды Международной научно-методической конференции «Информатизация инженерного образования» ИНФОРИНО-2012 (Москва, 10-11 апреля 2012 г.). - М.: Издательский дом МЭИ, 2012.
- С. 397-398.
9. Информатизация инженерного образования: электронные образовательные ресурсы. Вып. 5 / под общ. ред.
С.И. Маслова. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011.
