Проектно-организованное обучение студентов с использованием 3D-моделирования

АА. ЗАХАРОВА, зав. лабораторией М.Г. МИНИН, зав. кафедрой Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Проектно-организованное обучение студентов с использованием 3D-моделирования

В статье описан опыт внедрения проектно-организованного обучения студентов в Томском политехническом университете. Представлена интеграция проектной, научной и образовательной деятельности в области междисциплинарной подготовки студентов на примере реальных прикладных задач, к которым относится трехмерное моделирование месторождений нефти и газа. В завершение продемонстрирована эффективность предложенного подхода.

Ключевые слова: проектно-организованное обучение, интеграция, междисциплинарный подход, 3В-моделирование.

Для выполнения программы развития Томского политехнического университета как национального исследовательского университета мирового уровня, нацеленного на кадровое обеспечение и разработку технологий для ресурсоэффективной экономики, необходимо прежде всего решить задачу подготовки высококвалифицированных специалистов, ориентированных на новые, перспективные и эффективные технологические процессы, т.е. задачу создания интеллектуального и профессионального кадрового потенциала, способного к продуктивной интеллектуальной деятельности [1].

Приобретение вузом в 2009 г. статуса Национального исследовательского университета не стало для коллектива неожиданным событием. На протяжении многих последних лет университет укрепляет свои позиции не только на российском, но и на мировом образовательном рынке. Высокие рейтинговые показатели ТПУ обеспечиваются комплексными пятилетними программами развития, включающими концепцию развития, глобальную цель и политику, системные индикаторы и целевые программы, которые доводятся до всех подразделений [2]. Выполнение комплексных программ позволяет университету сохранять стратегическое лидерство и обеспечивать высокое качество подготовки специалистов в области техники и технологий.

Томский политехнический университет имеет достаточную материальную базу для подготовки специалистов. Во многом благодаря участию в выполнении инновационной образовательной программы (20072008 гг.) удалось приобрести уникальное оборудование для организации семи центров превосходства, на базе которых ведется подготовка высококвалифицированных инженерных кадров.

Наличие уникального оборудования само по себе, без серьезной фундаментальной подготовки и внедрения в образовательный процесс активных технологий не решает проблему подготовки специалиста. Формирование профессиональных компетенций у студентов может быть обеспечено только при условии самостоятельного решения ими вопросов в рамках реальных проектов. При этом необходимо реализовывать этот педагогический процесс на межпредметной основе, с использованием командного метода обучения [3, 4].

Этими проблемами обеспокоены не только российские вузы. Во многих странах происходят серьезные изменения в подходах к образованию. Методы преподавания (“teaching”) сменяются методами обучения (“learning”). В университетах мира внедряются программы, основанные на методах активного обучения, - как правило, проектно- или проблемно-ориентированные, в центре которых находится студент.

Переход от парадигмы преподавания к парадигме обучения, как ответ на новые профессиональные требования, существенно модифицирует учебную программу, ускоряясь научными и технологическими разработками и получая поддержку Болонского процесса, ориентированного на результаты обучения [5]. При этом проектно-организованное обучение осуществляется как в рамках базового (бакалаврского) образования, так и на второй (магистерской) ступени. Несмотря на различные сроки обучения, суть его заключается в обеспечении тесной связи с производством и в реализации проектно-целевой подготовки студентов.

В ТПУ накоплен опыт проектно-организованного обучения по ряду направлений, в том числе в такой стратегически важной для России области, как нефтегазовая. Разработка нефтяных и газовых месторождений является сложным, трудоемким и капиталоемким процессом. Длительность и эффективность разработки месторожде-

ющими нормативными документами и законодательством РФ [6].

В последнее время значительный прогресс в освоении стратегических ресурсов, какими являются нефть и газ, связан с использованием современных информационных технологий, базирующихся на сложных моделирующих системах [6, 7]. Применение таких систем необходимо на протяжении всего жизненного цикла месторождения нефти и газа. При этом на каждой стадии изучения и разработки месторождений последовательно осуществляются SD-геологическое, SD-гидродинамическое моделирование и создание на их основе проектной документации по сопровождению разработки нефтегазовых месторождений (рис. 1). Указанная технология обеспечивается сложными вычислительными программными комплексами таких всемирно известных компаний, как Schlum-berger, Landmark и Roxar, работа с которыми требует от специалистов высокой квалификации и особых навыков.

Разработка проектной

Рис. 1. Схема 3D-моделирования нефтегазовых месторождений

ний нефти и газа существенно зависит как от геологических и технологических, так и от экономических факторов. При этом важно на протяжении всего жизненного цикла месторождения оперативно, на современном информационно-технологическом уровне осуществлять управление поиском, разведкой и последующей разработкой залежей нефти и газа. Кроме целесообразности, это регламентируется также действу-

В связи с этим возникает острая потребность отрасли в высококвалифицированных кадрах, не только обладающих знаниями и навыками в предметной области, но и владеющих современными информационными системами и технологиями.

Между тем ежегодно в вузах России и за рубежом ведется подготовка специалистов в области информационных технологий, которые владеют математическим ап-

паратом, легко и оперативно осваивают новейшие информационные средства, но быстрая адаптация которых на предприятиях значительно затруднена в силу отсутствия у них соответствующих знаний и опыта в решении производственных задач в отраслях производства.

Аккумулировать знания и навыки специалистов двух направлений еще на этапе обучения - на наш взгляд, весьма перспективный подход, позволяющий в современных условиях готовить высококвалифицированных специалистов и обеспечивать их быструю адаптацию на предприятиях нефтегазового комплекса, стимулируя их самообразование и повышая их конкурентоспособность и востребованность.

Интеграция двух структурных подразделений университета, каковыми являются Институт геологии и нефтегазового дела (ИГНД) и Институт «Кибернетический центр» (ИКЦ) (рис. 2) в сфере предметноориентированной подготовки кадров еще на этапе получения базового образования приносит положительные результаты.

Совместная работа преподавателей указанных подразделений по подготовке студентов, ведущаяся с применением оригинальных методик, позволяет повышать уровень квалификации самих педагогов (рис. 3). Интеграционным звеном является лабора-

тория моделирования месторождений нефти и газа ИКЦ ТПУ, где и выполняются реальные проектные работы и ведется работа со студентами (командами студентов) ИГНД и ИКЦ (АВТФ - факультета автоматики и вычислительной техники).

Высокий уровень образовательного процесса обеспечивается участием лаборатории в выполнении более чем 40 проектов для нефтегазовых компаний (в том числе: подсчет запасов углеводородного сырья, проекты пробной эксплуатации, технологические схемы разработки месторождений, технико-экономическое обоснование инвестиций и т.д.). Сотрудниками лаборатории создано более тридцати 3D-геологи-ческих и 3D-гидродинамических моделей реальных месторождений нефти и газа, получено 11 актов о внедрении разработанного в лаборатории ПО, 8 свидетельств о регистрации авторского права на ПО, более 120 научных и методических трудов.

Обучение студентов осуществляется на базе лаборатории моделирования месторождений нефти и газа ИКЦ ТПУ в рамках:

• основных дисциплин, когда общее знание закрепляется на основе реальных задач, а не тестовых абстрактных примеров;

• факультативных курсов;

• НИРС;

• учебньщ/про-изводственных практик в структурном подразделении (его сотрудники имеют навыки работы со студентами,

знают требования к отчетам по практикам, ВКР и т.п. и, следовательно, могут ставить задачи, которые соответствуют по уровню и объему требованиям образовательного стандарта).

Работа в команде под руководством

Ґ

Томский политехнический университет

Институт геологии \л(^Институт «Кибернетический ^

нефтегазового дела

центр»

•Студенты Г Лаборатория Ч

•Магистранты 30-моделирования

•Специалисты •Преподаватели •Преподаватели •Специалисты

V /

•Студенты

•Магистранты

•Аспиранты

Предприятия небтегазового комплекса

•Специалисты

Рис. 2. Интеграция структурных подразделений ТПУ

Рис. 3. Ориентация образовательного процесса на будущую профессию

преподавателей со стороны обоих институтов обеспечивает эффективное управление работой студентов с учетом всех отраслевых требований и стандартов. Все это позволяет формулировать и формализовы-вать широкий спектр актуальных задач, который не под силу специалисту в одной предметной области. Более того, выполняемые работы - это реальные производственные задачи, что значительно усиливает интерес к ним студентов: у них возникает понимание значения и востребованности того комплекса знаний, который предлагается им на протяжении всего курса обучения в вузе, - от основ высшей математики до экономической теории.

При подготовке осуществляется пошаговая стратегия (рис. 4). На первом шаге учащимся предлагается интегрированный объем знаний: студентам

ИГНД - знания в области информационных систем и

технологий, а сту-дентам-информати-кам - базовые геологические курсы. На втором шаге студентам обоих направлений базовой подготовки предлагается освоить сложнейшие информационные технологии, которые применяются в промышленных нефтегазовых компаниях, а на третьем - применить полученные знания и опыт к реальным заданиям и проектам, таким как подсчет запасов углеводородного сырья, проекты разработки месторождений нефти и газа и т.д.

Кроме того, студенты получают навыки работы в команде и развивают способность грамотно ставить задачи, находить общий язык со специалистами в другой предметной области и т.д. Так, работая в лаборатории, каждый студент осваивает навыки 3^ моделирования месторождений с применением современных пакетов, такихкакРе1ге1 компании Sch1umberger, учится применять

Рис. 4. Пошаговая технология продуктивного обучения

эти знания и навыки при выполнении реальных проектов, сопровождающих разработку месторождения. При желании каждый студент может выбрать свое направление научных исследований, поскольку предлагаемые технологии - это не только инструмент решения узкоспециализированных производственных задач, но и интересный предмет для творческих научных изысканий. Не будем забывать, что преподавательский состав лаборатории - это ученые Томского политехнического университета, каждый из которых ведет собственные научные исследования и разработки.

Результатом работы студентов (команд студентов) являются выполненные НИРС и ВКР (выпускные квалификационные работы). Пример такой междисциплинарной групповой ВКР, в которой выполнялась разработка программного обеспечения для оптимизации проектирования технологии бурения скважин, представлен на рис. 5.

При этом студенты совместно изучили предметную область, формализовали задачу, распределили роли и организовали работу в команде. Студент АВТФ обеспечил реализацию следующих функций: формализация алгоритмов, разработка пользовательского интерфейса, реализация алгоритмов, тестирование и апробация. Студент ИГНД - описание предметной области, разработка алгоритмов, разработка концепции пользовательского интерфейса, тестирование и апробация на реальных данных. Если внимательно посмотреть на распределение

функций, то можно заметить, насколько тесно студентам приходится работать, т.е. проектировать и реализовывать проект.

Эффективность и качество таких работ подтверждаются рядом дипломов, сертификатов, грантов, стипендий и активным участием студентов в работе конференций и семинаров различного уровня.

Лаборатория моделирования функционирует уже 6 лет. За это время было подготовлено около 50 выпускников, которые успешно трудятся в таких известных компаниях, как ОАО «ТомскНИПИ нефть ВНК» (Томск), ОАО «Роснефть НТЦ» (Краснодар), ОАО «Норд Империал» (Томск), СНИИГГиМС СО РАН (Томское отделение), ОАО «Сибнефтегазиннова-ция» (Томск), Software e Tecnologias de Informacio (Португалия), Инжиниринговый центр ОАО «Роснефть» (Красноярск), Schlumberger (Мексика), HerriotWatt University (Шотландия) и т.д.

Целью обучения студентов с применением изложенного в статье подхода, основанного на командно-проектном способе организации обучения, является подготов-

Не Ш \ *

}Ш Студент АВТФ Студент ИГНД Е

•Формализация алгоритмов •Разработка пользовательского интерфейса •Реализация алгоритмов •Тестирование и апробация

Разработка алгоритмов и реализация ПО для оптимизации проектирования технологии бурения нефтяных и газовых скважин

•Описание предметной области •Разработка алгоритмов •Разработка концепции пользовательского интерфейса •Тестирование и апробация на реальных данных

Рис. 5. Пример междисциплинарного студенческого проекта

ка кадров, которые по окончании высшей школы способны влиться в трудовые коллективы, оперативно осваивая самые передовые и наукоемкие технологии. Это возможно благодаря тому, что азы технологий и методики их освоения уже заложены. Ведь хорошо известно, что опыт работы в коллективе и сформированные профессиональные и социальные компетенции являются залогом успешной трудовой деятельности.

Литература

1. ШленовЮ, Мосичева И, ШестакВ. Непре-

рывное образование в России // Высшее образование в России. 2005. № 3. С. 36-49.

2. Корпоративное управление вузом / Под

ред. А.И. Чучалина. Томск: Изд-во ТПУ,

2008. 416с.

3. Сазонова З.С. Интеграция образования, науки и производства как методологическое основание подготовки современно-

го инженера. М.: Изд-во МАДИ (ГТУ), 2007. 487 с.

4. Жураковский В.М., Сазонова З.С. «Рабо-

та в команде» как педагогический принцип // Высшее образование в России. 2005. № 8. С. 3-8.

5. Чучалин А.И., Минин М.Г., Кулюкина Е.С.

Опыт формирования профессиональных и универсальных компетенций выпускников инженерных программ в зарубежных вузах // Высшее образование в России. 2010. № 10. С. 105-115.

6. Ямпольский В.З., Захарова А.А., Иванов

М.А., Чернова О.С. Анализ программного обеспечения для трехмерного моделирования и оптимизации разработки месторождений нефти и газа // Известия ТПУ. 2006. Т. 309. №7. С. 50-55.

7. Захарова А.А., Ямпольский В.З. Оптими-

зация технологии моделирования нефтегазовых месторождений на основе цифровых 3D геологических и гидродинамических моделей // Проблемы информатики. Новосибирск: ИВМиМГ СО РАН.

2009. № 2. С. 38-42.

ZAKHAROVA A, MININM. PROJECT-ORIENTED TRAINING WITH THE USE OF 3D MODELING

The implementation of project-oriented training of students with the use of 3D modeling at Tomsk Polytechnic University is described. This approach is used in the sphere of crosssubject training in terms of high-tech and complex tasks, to which the three-dimensional modeling of gas and oil deposits refers. The integration of project, science and educational activity as examplified by real application task in the mentioned subject is given. The effectiveness of the suggested approach is presented.

Keywords: project-oriented training, integration, cross-subject approach, 3D modeling.

g