Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Направление ВПО «Инноватика», отнесенное к группе «Управление в технических системах», было утверждено приказом Министерства образования Российской Федерации №3676 от 25.09.2003 г. [1], и в том же году для него был разработан и введен первый Государственный образовательный стандарт [2]. А к 2022 г. это направление подготовки (по данным сайта Вузотека.ру [3]) представлено уже в 63 вузах России, одним из которых является Новосибирский государственный университет экономики и управления «НИНХ». Здесь обучение по направлению Инноватика (профиль – «Управление инновациями (по отраслям и сферам экономики)») открылось в 2007 г. При поступлении требуется результат ЕГЭ по математике и физике, балл не меньше 39. При разработке ООП в рабочий учебный план по Инноватике среди других профессиональных дисциплин в рамках вариативной части была включена дисциплина «Проблемы энергетики и энергосберегающих технологий». Предполагается, что ее введение должно способствовать как личностному развитию студента, так и успешной работе в выбранной им сфере профессиональных интересов.

Цель данного исследования заключается в презентации опыта использования различных педагогических методик при изучении студентами теоретических положений в области получения энергии и реализованных на практике технологий.

Материалы и методы исследования

Материалом исследования являлись образовательные стандарты высшего образования, РУП по направлению 27.03.05 Инноватика, статистические отчеты по тематике, личные разработки автора для проведения лекционных и практических занятий. Использовались теоретические (анализ научной и учебно-методической литературы, а также документов и отчетов по проблеме исследования) и эмпирические (наблюдение, анализ опыта преподавания) методы исследования.

Результаты исследования и их обсуждение

Как указано в рабочей программе дисциплины «Проблемы энергетики и энергосберегающих технологий», основная цель курса – «ознакомление студентов с базовыми принципами современных технологий получения энергии, с методологией решения проблем энергетики на основе достижений фундаментальных наук, а также с возможностями более рационального использования выработанной энергии» [4]. Исходя из описанной цели в процессе изучения дисциплины решаются такие задачи, как:

- усвоение студентами фундаментальных понятий и инновационных идей современной энергетики;

- формирование представления об особенностях наукоемких технологий в области энергосбережения и о перспективах развития энергетики;

- формирование представления о современном состоянии топливно-энергетического комплекса России;

- выработка отношения к энергетике как к основе современной экономики.

Однако, когда в 2011 г. произошел переход к образовательным стандартам 3-го поколения, от дидактических единиц к компетенциям, то оказалось, что в разработанных Минобрнауки формулировках компетенций для направления Инноватика какие-либо упоминания об энергетике, энергоэффективности, энергосбережении отсутствуют. Поэтому подобрать полностью подходящую профессиональную компетенцию не удается, и в результате за дисциплиной в РУП была закреплена компетенция, в которой хотя бы упоминается термин «ресурс», – это отнесенная к организационно-управленческой деятельности ПК-5: «определять стоимостную оценку основных ресурсов и затрат по реализации проекта» [5]. Однако при изучении курса основной упор делается все же на знакомство с базовыми принципами технологий получения и преобразования энергии, с современными тенденциями энергосбережения в различных отраслях промышленности, дальнейшими направлениями совершенствования технологий (повышения КПД, использования ВЭР и развития альтернативной энергетики) и пр. В таком случае логично было бы дополнить эту неблизкую к содержанию предмета компетенцию общекультурной, например ОПК-7 – «способность применять знания математики, физики и естествознания, химии и материаловедения, теории управления и информационные технологии в инновационной деятельности» [5].

Поскольку согласно РУП данная дисциплина относится к 4-му году обучения, то ее изучению предшествует освоение таких базовых дисциплин, как «Физика и естествознание» и «Химия и материаловедение», где рассматриваются и анализируются теоретические положения термодинамики. В другой блок предшествующих дисциплин, связанный с инженерными аспектами инновационной деятельности, входят «История науки и техники», «История и методология инженерного дела». Здесь наряду с рассмотрением научных идей и технических решений прошлого, что является неотъемлемым элементом культуры специалиста, также поднимаются вопросы современных проблем человечества, порождаемых научно-техническим прогрессом, и поиска путей их решения. Технологическая составляющая представлена в обучении предшествующей дисциплиной «Промышленные технологии и инновации», в рамках которой происходит формирование фундаментальной базы знаний о технологиях по отраслям промышленности и выпускаемому конечному продукту, а также умения сравнивать традиционные и новые технологии, рассчитывать основные технологические параметры процессов, в том числе и энергетические.

Учебный план по дисциплине «Проблемы энергетики и энергосберегающих технологий» предусматривает проведение лекционных, а также практических (семинарских) занятий. Здесь применяются инновационные технологии, такие как информационно-коммуникационные, личностно-ориентированные, дидактические и др. [6]. На семинарах студенты разбирают типичные расчетные задачи, находят в Интернете и анализируют научные публикации по теме, сопоставляя прочитанное с теоретическими знаниями и возможностью последующего применения рассматриваемой информации в своей профессиональной деятельности, а также выполняют творческие задания, в том числе в форме доклада по выбранной для более детального изучения теме.

К примеру, в ходе первой лекции дается определение понятий «энергия», «первичные энергетические ресурсы» и разбираются масштабы их использования современной цивилизацией. Так, по данным сайта ourworldindata.org, за период с начала промышленной революции с 1800 по 2019 гг. (т.е. до начала пандемии) потребление первичных энергетических ресурсов увеличилось в 28,1 раза и достигло 158839ТВт×ч. В качестве другого источника информации используются отчеты компании British Petroleum (BP) [7], где приводится цифра мирового потребления энергоресурсов 583,9 ЭДж. Соответственно, возникает необходимость привести данные к одинаковой размерности, выяснить, какие еще единицы энергии используются в энергетике (например, тонна условного топлива, баррель нефтяного эквивалента и пр.) и в науке (электрон-вольт, эрг, калория), как соотносятся эти значения энергии с привычными нам действиями (скажем, работа человека по поднятию тяжестей, выстрел из ружья, взрыв атомной бомбы), с процессами в микромире (энергия электрона в атоме водорода, деления ядра урана, кванта видимого света), с астрономическими событиями (годичное излучение Солнца, вспышка сверхновой звезды) – это демонстрируется по логарифмической шкале энергий, приведенной в [8]. Для перевода единиц можно использовать онлайн-конвертер величин, например сайт сonvert-me.com.

Кроме того, в отчетах BP приводятся и оценки по запасам невозобновляемых энергоресурсов, доля которых в общемировом потреблении составляет 88,5%. Информация представлена по миру в целом, по континентам и отдельным странам, а также указываются сроки возможного исчерпания энергоресурсов при текущем уровне добычи: нефть – 49,9 года (для РФ – 25,5 года), природный газ – 49,8 года (для РФ – 55,9 года), уголь – 132,0 года (для РФ – 369,0 лет) [7]. Оценки британской компании несколько отличаются от данных Минприроды РФ, приводимых в [9], из которых следует, что ресурсообеспеченность по нефти для РФ составляет 33,5 года, по природному газу – 70,9 года, по углю – 282,8 года. Учащимся предлагается произвести свою оценку того, как на эти сроки повлияет прогнозируемое экспертами увеличение потребления энергоресурсов (например, в [10] предполагается ежегодный рост на 1,13%). А значит, дополнительно подчеркивается актуальность энергосбережения. Неслучайно в некоторых вузах предусмотрено рассмотрение этих вопросов в рамках отдельного курса [11].

Далее на одном из семинарских занятий более детально рассматривается вопрос о теплотворной способности различных углеводородных топлив. Студентам предлагается рассчитать этот показатель для определенного вида ресурсов, используя эмпирические формулы Менделеева, связывающие теплоту сгорания с составом топлива. Эти вычисления существенно облегчаются, если использовать компьютерные программы (Mathcad или Excel), поскольку часто в процессе решения приходится производить много однообразных вычислений. Взамен этого для рассматриваемых заданий предлагается использовать шаблоны, основанные на программе Excel, ведь этой программой, в отличие от Mathcad, большинство студентов умеют пользоваться еще со школы.

Проиллюстрируем, как можно использовать подобный шаблон на примере расчета низшей теплоты сгорания Qн сухого газа. Так, согласно [12]:

Qн = 108×H2 + 126×CO + 358×CH4 + 637×C2H6 + 913×C3H8 + 1186×C4H10 + 1462×C5H12 + 591×C2H4 + 859×C3H6 + 1135×C4H8 + 1412×C5H10 + 1403×C6H6 + 235×H2S, (в кДж/м3);

где СnНm, Н2S, Н2 и СО – концентрации индивидуальных компонентов природного газа в объемных процентах, а коэффициенты учитывают тепловые эффекты при сгорании соответствующего компонента топлива.

При расчете по данной формуле с помощью калькулятора любая невнимательность при наборе цифр станет причиной ошибки в итоговом значении, причем проверке подобная неточность студента просто не поддается. А если на данной стадии была допущена чисто арифметическая ошибка, то последующие вычисления, по сути, теряют смысл. Однако использование файла-шаблона (рисунок) позволит исключить ошибку такого вида.

Использованный шаблон Excel для расчета низшей теплоты сгорания сухого газа

Основываясь на указанном в условии задачи составе газового топлива, студент вводит свои данные в строку R5 (при этом по мере ввода одновременно меняется и значение общего содержания компонентов в ячейке R5C17, которое при правильном наборе всех данных должно составить 100%). Под строкой с данными приводится расчетная формула, а в ячейке R14C2 отображается посчитанное программой по ней искомое значение низшей теплоты сгорания для исследуемого топлива. В дальнейшем в зависимости от условий предложенной задачи полученное значение может быть использовано, например, для расчета низшей теплоты сгорания влажного газа, объема полученных газообразных продуктов сгорания, КПД котельного агрегата и пр. Применение подобных шаблонов при проведении на семинарских занятиях проверочных работ существенно ускоряет процесс решения, так что можно констатировать, что студенты, использовавшие программу Excel во время контрольных, сумели разобрать и решить большее число заданий, чем те, кто производил вычисления обычным методом [13].

В качестве другого примера компьютерных программ, рекомендуемых студентам для работы, можно указать интернет-справочник «Расчет и графическая иллюстрация основных термодинамических циклов» [14]. В нем созданы шаблоны (на основе Mathcad) для решения некоторых типичных задач по применению термодинамических циклов в энергетике. Впрочем, использование сторонних ресурсов несет в себе и определенные отрицательные моменты. Во-первых, в ряде задач справочника пояснения, как именно был получен искомый результат, сведены до минимума. Так что для плодотворной работы с ним желательно предварительно разобрать эти задачи отдельно, с подробным объяснением алгоритма. А во-вторых, внести какие-либо изменения в условия задач этот интернет-ресурс не позволяет. И если опираться только на готовые разработки, то от преподавателя может потребоваться определенная корректировка в работе, чтобы подстроиться под задания, имеющиеся в используемых ресурсах. Еще одним минусом данного ресурса является то, что некоторая часть студентов не имеют опыта работы с Mathcad [13].

Также в качестве еще одной формы самостоятельной работы по дисциплине студенты готовят доклады с презентацией о предприятиях энергетической отрасли города, региона или зарубежных стран. В процессе подготовки к докладу они осуществляют поиск научно-технической информации, обращаясь к первоисточникам – научным статьям и обзорам по теме, интернет-сайтам рассматриваемых предприятий, статистическим отчетам различных ведомств; делают выписки, составляют библиографию, подбирают наглядные формы представления информации (диаграммы, графики, таблицы). Здесь развивается такое качество, как web-самостоятельность, которое подразумевает у участника образовательного процесса умение ориентироваться в информационном пространстве [15]. В докладах обязательно обсуждается информация о КПД используемых устройств, о возможностях его повышения, мероприятиях, предпринимаемых для экономии энергии и минимизации воздействия на окружающую среду, и пр. При этом часто поднимаются весьма злободневные для региона вопросы, такие как проблема перевода ТЭЦ с каменного на бурый уголь, экологические последствия работы гидроэлектростанции, возможности развития в Сибирском регионе альтернативной энергетики (солнечной, ветровой) и др.

Выступление студентов с подготовленными докладами и последующее обсуждение их работ в группе являются важной частью процесса обучения. При этом проверяется, насколько обучающийся способен выделить наиболее важные моменты в тексте, проанализировать имеющуюся научно-техническую информацию, привести оптимальные технологические решения, учитывающие интересы энергосбережения и экологической безопасности. Подчас доклады вызывают дискуссию среди одногруппников, поскольку вопросы, поднимаемые в них, затрагивают в той или иной мере всех жителей города.

Итоговая аттестация проводится в виде экзамена по билетам, где проверяется как знание студентом теоретических принципов энергетики, так и сформированное умение разбирать типичные расчетные задачи. Количественные результаты проведения экзамена за период с 2016 по 2021 гг.: всего сдавали 78 студентов, из них положительную оценку по предмету получили 64 (82%), при этом за последние 3 года оценки «неудовлетворительно» не ставились, после первой пересдачи все 100% учащихся были аттестованы по предмету. Доли студентов, получивших «отлично» и «хорошо», составили соответственно 25,6% и 35,9%.

Предполагается, что после изучения описанного курса студенты смогут применять полученные знания как в обыденной жизни, так и на производстве. Подтверждением этому может служить тот факт, что объектом ВКР у нескольких выпускников было предприятие Новосибирскэнергосбыт, а в некоторых ВКР также рассматривались аспекты использования солнечных батарей для различных организаций Новосибирской области.

Также, помимо знаний по предмету, в процессе обучения формируются навыки использования ИКТ, умения творчески мыслить, самостоятельно обучаться и работать в команде. Эти качества можно считать показателями уровня сформированности для ОПК.

Заключение

Проведение занятий по дисциплине «Проблемы энергетики и энергосберегающих технологий» восполняет у студентов пробелы в знаниях, связанные с технологиями получения и рационального использования энергии. Это также способствует пониманию, что при внедрении инноваций необходимо учитывать аспекты энергосбережения, а кроме того, вызывает существенный интерес к научной литературе и публикациям в СМИ по указанной тематике. Следует, однако, заметить, что в 2019 г. в НГУЭУ был изменен профиль обучения для направления Инноватика, теперь это «Инновации в ИТ-сфере». И в дальнейшем в связи с изменениями в учебных планах студенты будут знакомиться с этими вопросами уже не в рамках отдельной дисциплины, а в формате отдельных тем в других курсах.