Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,936

Введение

В настоящее время наблюдается нарастание дефицита инженеров-конструкторов и технологов, а так же исследователей, обладающих широким научно-техническим кругозором, владеющих современными информационными технологиями и способных к постоянному саморазвитию и самопознанию [1]. Современные темпы технологического развития в мире предъявляют повышенные требования к уровню подготовки инженерных кадров, в том числе специалистов в области радиотехники. Опережающая подготовка будущих приборостроителей предполагает формирование компетенций, востребованных не только сегодня, но и в перспективе – с учётом прогнозов развития отрасли. Ключевым инструментом такой подготовки выступают профессионально‑ориентированные задания, которые моделируют реальные производственные ситуации и задачи [2].

Но их структура зачастую не учитывает динамику технологических изменений, что снижает эффективность подготовки. Актуальность исследования обусловлена необходимостью разработки структуры профессионально-ориентированных заданий, обеспечивающей опережающую подготовку будущих приборостроителей с учётом перспективных трендов отрасли. Однако структура опережающих профессионально-ориентированных заданий именно по физике в научно-педагогической литературе не освещена. В связи с этим, сформулируем цель исследования.

Цель исследования: разработать и обосновать структуру профессионально‑ориентированных заданий, способствующих опережающей подготовке будущих приборостроителей, с учётом перспективных технологических трендов в отрасли.

Материал и методы исследования

Данное исследование опиралось на нормативно-правовую базу. Прежде всего, это ФГОС ВО по направлению подготовки 11.05.01 Радиоэлектронные системы и комплексы [3] и Федеральный закон об Образовании № 273 [4]. В данных стандартах четко прописаны требования к студенту, какими компетенциями он должен обладать после окончания обучения. Стоит упомянуть и профессиональный стандарт «Инженер-радиоэлектронщик в области радиотехники и телекоммуникаций» [5], где написаны требования к выпускнику уже со стороны работодателя. Невозможно не отметить и прогноз научно-технологического развития Российской Федерации на период до 2030года, где выделена важная роль развитию космического приборостроения, радиотехники, приборы домашней медицины [6].

К основным методам исследования можно отнести: анализ и синтез (изучение образовательных программ, профессиональных стандартов и прогнозов развития отрасли); контент‑анализ научно-педагогической литературы; моделирование (для проектирования структуры профессионально-ориентированных заданий) и педагогический эксперимент – апробация разработанной структуры этих заданий в учебном процессе с оценкой динамики формирования компетенций у студентов. Педагогический эксперимент был проведен с участием 42 студентов первого и второго курсов Приборостроительного факультета направления 11.05.01 «Радиоэлектронные система и комплексы» на базе ИжГТУ имени М.Т. Калашникова.

Результаты исследования и их обсуждение

Проанализировав вышеперечисленные стандарты, можно сделать вывод о том, что развитие инженерного образования – одна из приоритетных задач Правительства РФ. На текущий момент образовательные и профессиональные стандарты хоть и регламентируют вопросы профессиональной компетентности будущих инженеров, но обучение приборостроителей стоит модернизировать, опираясь на востребованные в будущем темы и направления.

В данном исследовании применялись компетентностный, личностно ориентированный и системно-деятельностный подходы [7]. Цель компетентностного подхода – это формирование у обучающегося определённых компетенций, необходимых для решения профессионально-ориентированных заданий. Подход акцентирует внимание на развитии практических навыков, которые будут востребованы на рынке труда. Цель личностно ориентированного подхода – развитие личности, формирование критического мышления, творческих способностей и самостоятельности студента. Цель системно-деятельностного подхода – развитие личности будущего инженера через учебную деятельность, формирование навыков самообразования и саморазвития.

Как было рассмотрено ранее, необходима опережающая подготовка конкурентоспособных и востребованных инженеров, обладающих знаниями, умениями и навыками, сформированных по принципу трансдисциплинарности, то есть перехода от узкоспециализированных к набору ключевых компетенций (например, «активных знаний», «знаний в действии»), а также способности и готовности вести различного рода деятельность (научную, инженерную, конструкторскую, расчетную, технологическую) [8]. Опережающей подготовкой занимались многие ученые. Похолков Ю. П. в своей работе обосновывает необходимость разработки национальной доктрины инженерного образования в условиях новых экономических условий, рассматривает её структуру, принципы организации и подходы к реализации [9]. Китайгородский М. Д. в своей докторской диссертации описал концепцию методической системы опережающего образования учителя технологии в области современных цифровых технологий и ее реализацию [10]. Это подтверждает важность опережающего обучения и необходимость модернизации существующей системы высшего образования.

К авторам, занимавшимся исследованиями в области профессионально-ориентированных заданий по физике для студентов технических вузов, можно отнести Якимова К. В. и Даммера М. Д., которые в своей статье предложили спецкурс по проектной деятельности в рамках физического практикума [11]. Проектные задания имеют междисциплинарное содержание и устанавливают связь между физикой и дисциплинами специальности, что способствует осознанию роли физики в будущей профессии. Однако в данной работе не описана структура этих заданий.
Другие ученые: Деменкова Л. Г. и Полицинский Е. В. в своей работе описали опыт применения практико-ориентированных задач по физике и химии в подготовке студентов направления «Машиностроение» [12]. Однако для приборостроения несколько другая специфик работы, как и трудовые обязанности в будущей профессиональной деятельности.
Стоит так же упомянуть работу А. А. Соловьёв, который изучал проблемы опережающей подготовки инженера в условиях социальной неопределённости [13]. В своей публикации он акцентировал внимание на адаптации студентов к техническим ситуациям в непредсказуемом социальном контексте и на соотношении технического и гуманитарного, научного и ненаучного в инженерном образовании. Так же можно выделить Сиренко С. Н., которая обосновала актуальность опережающего образования в эпоху гуманитарно-технологической революции [14]. Однако конкретной методики преподавания для студентов технических вузов по-прежнему не предложено.

Структура профессионально-ориентированных заданий для опережающей подготовки будущих приборостроителей должна быть комплексной и учитывать специфику отрасли, требования к компетенциям специалистов, а также тенденции развития приборостроения. Такая структура направлена на формирование умений решать профессиональные задачи, адаптироваться к будущим производственным условиям и использовать современные технологии.Приведем основные компоненты структуры профессионально-ориентированных заданий:

1. Контекст профессиональной деятельности. Задания должны моделировать реальные или перспективные ситуации, с которыми приборостроитель может столкнуться на производстве.

2. Интеграция междисциплинарных знаний. Задания должны требовать применения знаний из нескольких областей: математики, физики, электроники, метрологии, компьютерного моделирования и т.д. Это отражает комплексный характер работы в радиотехнике и приборостроении.

3. Проблемная постановка задачи. Задания должны содержать элементы неопределённости или противоречия, которые требуют аналитического подхода, поиска решений и принятия решений.

4. Ориентация на развитие профессиональных компетенций. Задания должны формировать конкретные компетенции, опираясь на ФГОС ВО и профессиональный стандарт, рассмотренные выше.

5. Связь с прогнозируемыми трендами. В задания стоит включать элементы, связанные с перспективными направлениями в приборостроении: цифровизация, интернет вещей, экологически чистые технологии и т.д. Это обеспечивает опережающий характер подготовки.

6. Оценка и самооценка. Задания должны предусматривать критерии оценки, которые позволяют диагностировать уровень сформированности компетенций.

Из чего же состояло само профессионально-ориентированное задание [15]? Для студентов оно делилось на вариативную и инвариантную части. Инвариантная часть – определенные задания, которые должен выполнить каждый студент. Вариативная часть дает возможность выбора того или иного задания. Классические лабораторные работы тоже не отменялись ­– сокращатилось количество часов, отведенных на них.

 Центральной и основной фигурой в профессионально-ориентированных заданиях являлся проект по продукции предприятия Удмуртии с физической направленностью. В конце была защита презентации всей группой. В презентации были отражены: цель, задачи, актуальность изделия, применяемость, история создания, виды, принцип работы, физический процесс. Необходимо было понимать, что, как и почему работает, то есть объяснить физику процесса. Далее в презентации была отражена защищенная заранее конструкторская документация (спецификация, схема электрическая принципиальная, сборочный чертеж), а так же технические требования к изделию. Заключительными элементами в презентации были 5 типовых задач по теме доклада, 10 контрольных вопросов для коллег и рефлексия по своему проекту.

Рассмотрим подробнее схемы и документацию. Студенты разработали конструкторскую документацию на один из элементов изученной системы так, чтобы у всей группы получилось готовое изделие предприятий Удмуртии, которое ранее они выбрали. После того, как студент начертил на бумаге схему, преподаватель проверил ее на соответствие ГОСТов и ЕСКД и задал вопросы на понимание физики процесса в разработанной документации. Необходимо при защите конструкторской документации было понимать, как изделие работает, при технологической документации – знать, как его собрать, из каких деталей оно состоит, какие требования предъявляются к нему. Будущие инженеры объясняли физику процесса, какие физические явления и законы используются при создании этой продукции.

Так же одним из видов профессионально-ориентированных заданий были коммуникативные бои. Коммуникативные бои проходили в формате дебатов на заданные темы, к которым студенты готовятся заранее. На занятии будущие инженеры публично доказывали оппоненту свою точку зрения на заданную тему. Темы (проблемы) для участия в коммуникативных боях по физике на тему Механика и динамика», «Электричество и магнетизм» и «Физика твердого тела» выдавались преподавателем заранее. Отличным примером практического применения является деловая игра по бережливому производству. Студенты окунулись в мир производства. Была поставлена задача: собирать продукцию предприятий Удмуртии из конструктора, улучшая производство с каждым раундом, а победителем признается команда, которая произвела больше продукции. Команды вносили улучшения в предложенный производственный процесс. Практический этап игры проходил по принципу бережливого производства First In – First Out (первым пришел – первым ушел) – способ организации и манипулирования данными относительно времени и приоритетов. Стоит упомянуть и круглый стол, где студенты готовили доклады по темам будущих билетов на экзамене. На круглом столе обсуждались основные моменты и главная информация в темах лекций. После этого проходило тестирование по формулам и физическим понятиям, где закреплялись знания и устраняются пробелы. Завершающим этапом перед защитой проектов являлось понимание физических процессов. Студентам необходимо было в устной форме ответить на «жизненный» вопрос и объяснить, как это происходит с точки зрения физики, показать понимание физики процесса. В дополнение к этому, были и вопросы на знание реальных приборов. В конце курса студенты заполняли анкету о качестве профессионально-ориентированных заданий, целесообразности из внедрения и личному мнению об обучении.

Для студентов, которые не выполнили основную часть программы или не посещали занятия, существует и вариативная часть в виде доклада. Рассмотрим конкретные примеры заданий, которые были предложены в рамках педагогического эксперимента:

1. Исследование свойств различных материалов: выберите несколько различных материалов (например, металлы, полимеры, керамика) и проведите комплексное исследование их свойств. Определите твердость, упругость, плотность, коэффициент теплопроводности и другие характеристики. Сравните результаты и сделайте выводы о структуре и свойствах каждого материала.

2. Найти аналог конденсаторам/резисторам и составить сравнительную таблицу.

Алгоритм выполнения:

Преподаватель дает конденсатор/резистор/другой радиоэлемент, на который нужно найти Datasheet, посмотреть его характеристики, подобрать аналогичный элемент. Необходимо составить сравнительную таблицу с минимум 10 параметрами: номинальная частота, напряжение питания, масса, ток, мощность, размеры, фронт нарастания, время включения и т.д.

3. Исследование электрических свойств полупроводников: выберите один или несколько полупроводников (например, кремний, германий) и проведите эксперименты для измерения их электрических свойств. Определите электропроводность, тип проводимости, эффективную массу электрона и другие характеристики. Исследуйте зависимость электропроводности от температуры и обсудите результаты.

4. Исследование фазовых переходов в твердых телах: выберите материал, у которого происходят фазовые переходы (например, магнитные, структурные или термические переходы) и исследуйте их при помощи различных методов анализа, таких как дифракция рентгеновских лучей и термический анализ. Сделайте выводы о влиянии фазовых переходов на свойства материала.

5. Моделирование и компьютерное моделирование твердых тел: используйте программное обеспечение для моделирования твердого состояния материалов и исследуйте их свойства. Разработайте модели различных структур, например, кристаллических решеток или аморфных материалов, и исследуйте их механические, электрические или тепловые свойства.

6. Изучение дефектов кристаллической решетки: изучите дефекты в кристаллической решетке твердых тел, такие как вакансии, примеси и дислокации. Исследуйте влияние дефектов на механические, электрические и термические свойства материалов. Изучите методы обнаружения и характеристики дефектов, такие как рентгеновская дифрактометрия, электронная микроскопия и спектроскопия.

Обобщенная структура профессионально-ориентированных заданий приведена в таблице 1.

Таблица 1 Структура профессионально-ориентированных заданий для опережающей подготовки будущих приборостроителей

В таблице 1 приведена конкретная структура профессионально-ориентированных заданий для опережающей подготовки будущих приборостроителей на примере курса физики. Задания идут в строгой последовательности друг за другом, включая в себя все эти элементы. В каждом из приведенных в таблице заданий есть контекст задания, задачная формулировка, требования и условия. Можно корректировать, добавлять или убирать задания, при необходимости.

Важно не просто объяснять студенту содержание курса, а показывать на практике, что его ждем в будущей профессии, какими навыками он должен обладать, что от него потребует работодатель. Например, для специальности 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы» можно выделить перечень последующих дисциплин (модулей), для которых необходимы знания, умения и навыки, формируемые курсом физики на данный момент: Электродинамика и распространение радиоволн, Теоретические основы радиотехники, Электроника. С использованием профессионально-ориентированных заданий в курсе физики в этот перечень можно добавить следующие дисциплины: основы теории цепей, физические основы микроэлектроники, радиотехнические цепи и сигналы, схемотехника аналоговых электронных устройств. Из-за того, что студентам для решения поставленной задачи требуются знания из других дисциплин, которые по программе обучения будут изучаться позднее, будущим инженерам уже сейчас приходится разбираться в новом материале, изучая основы для последующих дисциплин. Следовательно, придя на соответствующий курс обучения, например, радиотехнические цепи и сигналы, студент будет уже знать часть материала, потому что изучал его ранее на курсе физики, ему приходилось разрабатывать систему, а для этого нужны системные знания.

Глобально, на уровне страны, такой инженер будет способен обеспечивать конкурентоспособность страны; решать сложные междисциплинарные задачи в условиях неопределённости; генерировать инновации и внедрять прорывные технологии; адаптироваться к ускоряющимся темпам научно технического прогресса. Если на уровне курса физики, то задания должны формировать у будущего инженера физико-техническую компетентность, которая позволяет проектировать и анализировать технические системы с опорой на фундаментальные законы физики; применять физические методы для решения инновационных инженерных задач.

На уровне образовательного учреждения высшего профессионального образования совершенствование методической работы невозможно без повышения квалификации преподавателей. Их профессиональный рост открывает возможности использования современных и инновационных методик в учебном процессе, что должно отражаться на улучшении качества обучения студентов [16].

В результате изучения дисциплины «Физика» было проведено анкетирование 42 студентов Приборостроительного факультета направления 11.05.01 «Радиоэлектронные система и комплексы». Анкета, разделенная на три блока, приведена в таблице 2.

Таблица 2 Анкета для студентов инженерных специальностей

Результаты анкеты показали, что 100% поддерживают модернизацию дисциплин и улучшение существующих технологий. Большинству студентов, а именно 95%, понравились профессионально-ориентированные задания. 85% будущих инженеров выразили желание работать на предприятиях оборонно-промышленного комплекса в Удмуртии во время и после получения высшего образования. 73% готовы изучать перспективные технологии и направления подготовки. 50% студентов хотят заниматься научной деятельностью, писать статьи и участвовать в конференциях. 95% признают, что применение профессионально-ориентированных заданий дает больше мотивации к изучению материала. Сравнивая классическую и модернизированную модель обучения можно сделать вывод о том, что при использовании профессионально-ориентированных заданий обучение получается более полным, информативным, интересным и полезным.

Выводы

Таким образом, вы пришли к выводу, что структура профессионально‑ориентированных заданий для опережающей подготовки должна включать: контекст профессиональной деятельности, интеграцию междисциплинарных знаний, проблемную постановку задачи, ориентацию на развитие профессиональных компетенций, связь с прогнозируемыми трендами и оценка выполненной работы. Ключевой особенностью таких заданий является ориентация на перспективные технологические тренды и формирование прогнозных компетенций. Апробация показала эффективность структуры в повышении мотивации студентов и качества формируемых компетенций. Внедрение разработанной структуры в образовательный процесс способствует подготовке приборостроителей, способных эффективно работать в условиях динамично меняющейся отрасли.

Апробация структуры в педагогическом эксперименте (на базе технического вуза с участием 42 студентов) показала, что мотивация студентов к изучению перспективных технологий увеличилась на 25% (по результатам анкетирования); качество решений задач по физике в сравнении с классической методикой обучения увеличилось на 18%. Разработанная нами структура позволяет учитывать динамику технологического развития при проектировании учебных заданий и формировать у студентов навыки работы с перспективными технологиями.

Заключение

Разработанная структура профессионально‑ориентированных заданий представляет собой инструмент для реализации опережающей подготовки будущих приборостроителей. Её применение позволяет синхронизировать образовательный процесс и прогнозы технологического развития, формируя у студентов не только актуальные, но и перспективные компетенции. Дальнейшие исследования могут быть направлены на адаптацию структуры для других инженерных специальностей и её интеграцию в цифровые образовательные платформы.