Сетевое научное издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,936

Введение

Продвинутое и непрерывное инженерно-техническое образование имеет решающее значение для постоянного профессионального развития и адаптивности инженеров, особенно в эпоху, характеризующуюся быстрым технологическим прогрессом и меняющимися требованиями к профессии, которые стимулируются развитием Четвертой промышленной революции (Индустрия 4.0).

Современные исследования, посвященные Индустрии 4.0, показывают, что она влечет за собой изменения в структуре профессий и видов деятельности, а также выдвигает дополнительные требования к работникам. Эти изменения непосредственно затрагивают систему профессионального образования и обучения. В текущих условиях и со взглядом в будущее очевидным является тот факт, что необходимо изменить подход к подготовке студентов технических вузов на такой, который позволит вооружить их навыками, необходимыми для решения задач Индустрии 4.0. Слушатели этих учебных заведений должны будут демонстрировать новые компетенции и знания в своей профессиональной деятельности [1].

Четвертая промышленная революция определила множество потенциальных возможностей и вызовов, которые входят в пять областей деятельности: горизонтальная интеграция, цифровое комплексное проектирование, вертикальная интеграция, новые социальные инфраструктуры и киберфизические производственные системы. Это, в свою очередь, предопределило следующие требования к подготовке будущих инженеров: цифровые методы обучения, развитие умений управления производственными системами, междисциплинарная разработка продуктов и процессов, специфические компетенции для новых отраслей промышленности, оценка компетенций [2].

Учитывая вышеизложенное, необходимо отметить, что традиционные педагогические подходы зачастую не справляются с динамичной средой Индустрии 4.0, не обеспечивая гибкость и экспертные знания, необходимые современным инженерам. Это несоответствие подчеркивает необходимость значительных преобразований в преподавании инженерно-технических дисциплин с особым акцентом на передовые, инновационные технологии для сохранения актуальности и эффективности образовательных процессов и программ обучения. Для более наглядной аргументации необходимости перехода в технических вузах к новым, инновационным учебным траекториям, в таблице 1 представлена сравнительная характеристика эффективности традиционных и инновационных методик обучения будущих инженеров.

Таблица 1

Сравнение эффективности традиционных и инновационных методик обучения инженерно-технических дисциплин

Примечание. Составлено автором

Таким образом, детальный анализ возможностей и последствий интеграции требований Индустрии 4.0 и передовых практик подготовки инженеров, основанных на инновационных, цифровых технологиях, является актуальной научно-практической задачей, которая и предопределила выбор темы данной статьи.

Цель исследования заключается в рассмотрении особенностей и результатов использования инновационных технологий в процессе преподавания дисциплин профессионального инженерно-технического направления.

Материалы и методы исследования

Педагогический эксперимент проводился на базе кафедры «Информатика, вычислительная техника и информационная безопасность» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова в 2023–2024 учебном году. В исследовании приняли участие 64 студента 3-го курса направления 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника». Участники были распределены на контрольную группу (32 студента) и экспериментальную группу (32 студента).

Контрольная группа обучалась по традиционной методике: лекции, семинарские занятия, лабораторные работы, ориентированные на воспроизведение знаний.

Обучение в экспериментальной группе проводилось с использованием таких инновационных технологий:

· AR/VR-технологии (HoloLens, Autodesk Inventor VR) для преподавания курса «Проектирование аппаратного обеспечения автоматизированных систем»;

· цифровая лаборатория и виртуальные симуляторы для курса «Информационно-измерительные и управляющие системы» [16];

· проектное обучение с использованием микроконтроллеров Arduino и Raspberry Pi, систем контроля и управления доступом PERCo в рамках курса «Эксплуатация программно-аппаратных комплексов»;

· геймификация и компьютерные симуляторы динамических процессов в рамках программы «Технологическая (проектно-технологическая) практика».

Для оценки эффективности проводимого педагогического эксперимента автором использовался комплекс количественных и качественных показателей:

1. Качественная оценка (опрос студентов, самооценка уровня вовлечённости и мотивации, экспертная оценка преподавателей, участвующих в образовательном процессе).

2. Количественная оценка (сравнение среднего балла по тестам/контрольным работам, количество успешно выполненных лабораторных и проектных заданий, показатели участия в научно-исследовательских проектах).

3. Формирование компетенций (оценка по ключевым компетенциям ФГОС – инженерное мышление, работа в команде, способность к проектированию, критическое мышление).

Методы исследования включают в себя системный анализ, сравнение, моделирование, группировку, синтез, обобщение, описание.

Результаты исследования и их обсуждение. Особенности и методы интеграции технического мышления в инженерные учебные программы с целью формирования правильного набора знаний, который позволит повысить вероятность решения практических проблем на производстве, рассматривают в своих трудах Караваев А.А., Петрова Л.Г. [3], Борисов Е.А. [4], Gabriella Coloyan Fleming, Michelle Klopfer [5].

Перспективы и подходы к использованию новых технологий, таких как искусственный интеллект, дополненная реальность, проектное обучение в процессе преподавания дисциплин профессионального инженерно-технического направления с целью создания комплексной платформы, основанной на таксономии навыков, знаний и умений, и использующей технологии обработки естественного языка, изучают Greses Pérez, Trevion Henderson [6], Закиева Р.Р. [7], Меркулова В.А., Третьякова З.О., Шестакова И.Г. [8].

Над разработкой принципов образования 4.0, которые подчеркивают ориентированность на обучающегося, интеграцию технологий и обучения на протяжении всей жизни, обеспечивают целостную основу для переосмысления инженерного образования в цифровую эпоху, а также соответствуют меняющимся потребностям инженерных кадров, трудятся Глаголев С.Н., Алтынник Н.И. [9], Sicong Zhu, Yufei Yuan [10].

Высоко оценивая накопленное на сегодняшний день научное наследие, следует отметить, что еще не все вопросы в данной предметной плоскости нашли свое должное отражение в научно-экспертной литературе. Так, например, отдельного внимания заслуживают проблемы организации технического образования с использованием инновационных технологий, связанные с доступностью передовых решений для учреждений образования, дефицитом квалифицированного педагогического состава. Кроме того, в более детальной проработке нуждается перечень компетенций и навыков, которые могут быть сформулированы у обучающихся инженерным специальностям с применением инновационных подходов и выходят за рамки только технической квалификации.

Прежде всего отметим, что в инженерном образовании традиционно уделяется особое внимание экспозиционным методам и подходам, основанным на решении математических и физических задач [11]. Однако с развитием технологий и ростом спроса на компетенции в области цифровизации, смарт-производства, устойчивого развития появились новые модели преподавания специализированных дисциплин, способствующие активному и персонализированному обучению.

В результате, отвечая на вызовы современных производств и запросы обучающихся, принципы подготовки специалистов инженерно-технического направления в эпоху Четвертой промышленной революции предусматривают интеграцию передовых технологий и гибких методов обучения для адаптации к меняющимся условиям инженерного образования. Благодаря стремительному научно-техническому прогрессу в сфере образования появились инновационные подходы преподавания, базирующиеся на таких технологиях, как искусственный интеллект, виртуальная реальность и нейролингвистическое программирование, которые применяются для улучшения результатов освоения материала. Эти технологии способствуют персонализации обучения с учетом индивидуальных потребностей и предпочтений студентов. Алгоритмы искусственного интеллекта и методы нейролингвистического программирования позволяют образовательным учреждениям, специализированным кафедрам динамически адаптировать методы подачи и оценки учебного материала, обеспечивая его актуальность и вовлеченность слушателей [12].

Теоретико-концептуальные аспекты использования инновационных технологий в инженерно-техническом образовании

Согласно утверждениям Международной академии производственного инжиниринга, использование инновационных технологий при преподавании дисциплин профессионального инженерно-технического направления дает возможность сформировать учебную среду, имеющую четыре отличительные характеристики:

- процессы, которые являются аутентичными, включают несколько производственных этапов и охватывают как технические, так и организационные аспекты формирования необходимых компетенций;

- условия, которые могут изменяться и отражать характеристики реальной инженерно-технологической цепочки;

- производимый физический продукт;

- дидактическая концепция, охватывающая формальное и неформальное обучение, которая реализуется благодаря кооперации преподавателей и студентов в рамках подхода к обучению на месте.

В таблице 2 приведено описание некоторых инновационных технологий преподавания, с выделением сфер их применения, возможностей и ограничений.

Таблица 2

Характеристика инновационных технологий, используемых при преподавании дисциплин профессионального инженерно-технического направления

Примечание. Составлено автором

Прикладные аспекты использования инновационных подходов и технологических новинок в обучении будущих инженеров

Виртуальная и дополненная реальность появились как инновационные инструменты, которые позволяют студентам взаимодействовать с реалистичными трехмерными средами, симуляциями физических явлений и системного инжиниринга. Эти технологии помогают преодолеть разрыв между теорией и практикой, улучшая опытное обучение, облегчая понимание сложных концепций и улучшая запоминание знаний [13]. Важно отметить, что VR и AR повышают мотивацию и интерактивность студентов, делая обучение более динамичным и увлекательным.

Геймификация и проектное обучение. Интеграция активных методологий, таких как геймификация и проектное обучение (PBL), доказала свою эффективность в инженерном образовании, способствуя повышению вовлеченности и развитию социально-эмоциональных навыков у студентов, необходимых для рынка труда. Геймификация использует игровые элементы, такие как баллы, уровни и награды, для повышения мотивации и вовлеченности студентов. В инженерном образовании этот подход используется для того, чтобы сделать обучение более динамичным и интерактивным, улучшить запоминание материала и понимание сложных концепций [14]. С другой стороны, PBL ставит студентов в центр процесса обучения, предлагая им решать реальные проблемы в рамках практических проектов, что способствует увязке теории и практики и готовит их к профессиональным вызовам, в том числе к применению полученных знаний в инженерии.

Недавние исследования продемонстрировали эффективность платформ на базе искусственного интеллекта и онлайн-среды обучения в повышении результативности подготовки инженерных специалистов к вызовам, которые ставит перед ними Индустрия 4.0. Примеры из практики подчеркивают преимущества персонализированных и интерактивных сред обмена знаниями, демонстрируя значительное улучшение вовлеченности студентов, более быстрое усвоение нового материала и развитие навыков решения проблем. Эти инициативы подчеркивают преобразующий потенциал технологически усовершенствованных стратегий обучения в инженерном образовании [15].

Для систематизации имеющихся на сегодняшний день публикаций на рисунке отражены показатели, характеризующие эффективность применения инновационных технологий в ходе преподавания инженерно-технических дисциплин.

Эффективность применения инновационных технологий в инженерно-техническом образовании (составлено автором)

Цифры, представленные на рисунке, являются усреднёнными значениями, которые получены из метаанализа и обзора следующих источников:

1) IEEE Transactions on Education, Computers & Education, British Journal of Educational Technology;

2) отчёты по внедрению AR/VR в инженерном образовании в технических вузах Европы;

3) опросы студентов технических вузов в России, Польше, Германии (2018–2023).

В ходе проводимых экспериментов и замеров преподаватели внедряли разные технологии на параллельных группах (одна группа обучается с использованием инновационных подходов, другая – контрольная). После нескольких модулей (3–6 недель) проводилось сравнение:

-средних баллов;

-количества выполненных заданий;

-результатов итоговых тестов.

Полученные по результатам анализа научно-экспертной литературы данные позволяют сделать следующие заключения.

1. Прототипирование, PBL и AR показывают наибольшую эффективность по всем трём метрикам.

2. Геймификация и перевернутый класс также демонстрируют высокую вовлечённость и уровень усвоения нового материала.

3. MOOC и облачные платформы эффективны в доступности, но уступают по вовлечённости и удержанию знаний.

Примеры использования инновационных технологий в преподавании конкретных инженерных дисциплин

В ходе проведенного эксперимента в разрезе следующих дисциплин были получены следующие результаты.

1. «Проектирование аппаратного обеспечения автоматизированных систем»

Контрольная группа: только 58% студентов смогли самостоятельно построить аксонометрические проекции сложных деталей. Экспериментальная группа: показатель достиг отметки 81%. Время, затраченное на выполнение заданий, сократилось в среднем на 12%.

Вывод: применение VR существенно повышает пространственное мышление и снижает число ошибок в ходе построения проекций.

2. «Информационно-измерительные и управляющие системы»

Количество выполненных заданий в экспериментальной группе увеличилось на 17%. Студенты лучше усваивали взаимосвязь между микроструктурой и свойствами материалов, что подтвердилось в итоговом тестировании (средний балл: 3,9/5 в контроле против 4,5/5 в эксперименте).

Преподаватели отметили, что студенты стали чаще использовать терминологию, характерную для профессиональных материаловедческих исследований.

3. «Эксплуатация программно-аппаратных комплексов»

Студенты разрабатывали мини-проекты на базе микроконтроллеров (Arduino, Raspberry Pi), моделируя реальные инженерные задачи. В контрольной группе проекты защитили только 9 студентов из 32 (28%). В экспериментальной – 23 студента (71%).

Анкетирование показало, что 87% участников экспериментальной группы считают проектный формат обучения «более полезным для будущей профессии».

Вывод: данный инновационный метод не только улучшает усвоение материала, но и формирует дополнительные компетенции – командную работу, тайм-менеджмент, лидерство.

4. «Технологическая (проектно-технологическая) практика»

В процесс обучения была внедрена геймификация (баллы, рейтинги, онлайн-соревнования) и симуляторы динамических процессов. В контрольной группе итоговый тест сдали успешно 64% студентов. В экспериментальной – 79%. 72% студентов отметили, что игровой формат сделал предмет «более доступным и интересным».

В таблице 3 приведены усреднённые показатели эффективности внедрения инновационных методов обучения на кафедре «Информатика, вычислительная техника и информационная безопасность».

Таблица 3

Сравнительные результаты контрольной и экспериментальной групп, участвующих в тестировании инновационных технологий обучения

Примечание. Составлено автором

Хотя цифровые технологии, несомненно, имеют значительный потенциал и позволяют существенным образом увеличить эффективность инженерного образования за счет роста интерактивности, персонализации и удаленного доступа, не менее важно признать их потенциальные негативные последствия. Возможные недостатки чрезмерной цифровизации включают в себя снижение аналоговых и ручных навыков, растущую зависимость от программных инструментов и эрозию проектного, интуитивного мышления. Эти риски и угрозы подчеркивают важность сбалансированной и продуманной интеграции цифровых технологий на основе структурированных психопедагогических подходов, которые будут способствовать сохранению основных инженерных компетенций.

Заключение

Интеграция преобразующих технологий и инновационных подходов в процессе преподавания дисциплин профессионального инженерно-технического направления обладает огромным потенциалом для расширения возможностей будущих инженерных кадров. Технологические достижения и передовые методы подачи материала могут эффективно сочетаться с педагогическими стратегиями в сфере подготовки студентов технических специальностей. Они позволяют создавать персонализированные и адаптируемые учебные программы для специалистов, учитывая их индивидуальные потребности и предпочтения, а также обеспечивать динамичную основу для понимания меняющихся требований к навыкам.

В то же время в процессе перехода на инновационный вектор преподавания необходимо принимать во внимание такие ключевые аспекты, как адаптация студентов к цифровым технологиям, инклюзивный доступ, поддержка психического здоровья и баланс между новыми и традиционными методиками обучения, что играет ключевую роль в обеспечении качества образования и развитии необходимых компетенций у будущих инженеров.