Информационные технологии в подготовке инженеров

ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

С. ДВОРЕЦКИЙ, В. ТАРОВ, Е. МУРАТОВА

Тамбовский государственный технический университет

Информационные технологии в подготовке инженеров

За последние годы значительные изменения произошли как в оснащенности предприятий вычислительной техникой, так и в содержании и формах организации инженерной деятельности, связанных с применением компьютерных и телекоммуникационных технологий. Широкое использование ЭВМ во всех сферах деятельности современного инженера - управлении производством, исследовании рынка и организации сбыта продукции, проектировании, конструировании, изготовлении, эксплуатации технологического оборудования, строительных сооружений и других технических объектов -предъявляют дополнительные требования к профессиональной компетентности выпускника в области информационных технологий (ИТ). Необходимость усиления информационной компоненты подготовки специалиста следует также из сравнительного анализа мировых и российских образовательных стандартов по инженерным специальностям: если фундаментальная составляющая при подготовке инженеров в отечественных вузах больше, чем за рубежом, общепрофессиональная и специальная подготовка практически одинаковы, то уровень компьютеризации у нас пока значительно ниже [1].

Однако многие специалисты по инженерной педагогике, опытные инженеры и преподаватели высказывают опасения, что компьютеризация обуче-

ния может негативно повлиять на развитие таких инженерных качеств, как интуиция, конструкторское мышление, способность к глубокому анализу свойств технических объектов и процессов [2,3].

Разрешить это противоречие можно путем разработки и реализации программ инженерного образования, основанных на системно-целостном подходе к организации процесса обучения. Такой подход не является чем-то принципиально новым и особенно широко применяется именно в инженерной педагогике [4, 5]. Вместе с тем прогрессирующая дифференциация инженерной деятельности по видам выполняемых работ и предметно-отраслевому признаку не позволяет разработать универсальную дидактическую модель подготовки инженера. Поэтому актуальной задачей остается разработка дидактической модели профессиональной подготовки в соответствии с конкретным образовательным стандартом, с учетом постоянного изменения информационной среды деятельности специалиста и региональных особенностей.

По мнению авторов, процесс обучения инженеров механико-машиностроительных специальностей будет эффективен, если:

• стратегия специальной, общепрофессиональной и информационной подготовки будет разрабатываться вы-

пускающей кафедрой на основе системно-целостного подхода и оперативно пересматриваться в зависимости от социального заказа;

• ИТ будут применяться в педагогическом процессе комплексно, как совокупность трех взаимосвязанных компонентов - объектов изучения, инструментов изучения инженерных дисциплин и новых образовательных технологий;

• изучение дисциплин будет осуществляться непрерывно и равномерно в течение всего периода обучения студентов с учетом специфических дидактических принципов организации учебно-информационной среды;

• помимо общеобразовательных курсов, в учебные планы информатики будут включены прикладные курсы, ориентированные на предметную область и профессиональную среду деятельности специалиста;

• используемые в учебном процессе элементы ИТ будут рационально сочетаться с традиционными образовательными технологиями и поддерживаться современными техническими средствами.

Действующие в настоящее время ГОСы позволяют в каждом конкретном техническом вузе реализовать компьютерно-ориентированные технологии подготовки специалистов. Так, в Технологическом институте Тамбовского государственного технического университета (ТИ ТГТУ) дополнительно введены новые курсы «Программные и аппаратные средства АРМ инженера-механика» (3, 4 семестры) и «Прикладное программирование» (5, 6 семестры), адаптированные под образовательный стандарт соответствующих специальностей. Они знакомят студентов с принципами создания программного и информационного обеспечения для решения прикладных задач, основами компьютерной графики, правила-

ми работы со стандартным программным обеспечением и отдельными профессиональными инженерными программными комплексами. Кроме того, предусмотрены интегрированные дисциплины, такие, как «Математическое моделирование и оптимизация технологических процессов и оборудования» (7, 8 семестры) и «Системы автоматизированного проектирования» (9 семестр).

Изменение лишь содержательной части учебного плана, конечно, не ведет автоматически к повышению уровня информационной подготовки. Необходимо соответствующее методическое и информационное обеспечение, инновационные технологии обучения и общие принципы подхода к организации педагогического процесса на всех этапах подготовки специалиста.

Трудность реализации системно-целостного подхода в реальных условиях заключается прежде всего в том, что существует значительный разрыв в уровне применения ИТ на разных профилирующих кафедрах и отсутствует единая методология их внедрения в учебный процесс. Эти проблемы решались в ТИ ТГТУ за счет использования базового и специализированного программного обеспечения как средства сквозного обучения с постепенным освоением его возможностей при решении учебных инженерных задач в ходе изучения дисциплин фундаментального, общепрофессионального и специального циклов.

При таком подходе к организации учебно-познавательной деятельности обеспечивается непрерывность и преемственность в изучении дисциплин информационного цикла, достаточность и отсутствие дублирования материала, интеграция специальной, общеинженерной и компьютерной подготовки, что способствует развитию инженерного мышления и позволяет уве-

личить трансфертную составляющую знаний, умений и навыков специалиста. Блок-схема комплексной инженерной подготовки на профилирующей кафедре «Технологическое оборудование и прогрессивные технологии» приведена на рисунке 1.

Предлагаемое изменение структуры, содержания и технологии инже-

экономических и других материальных затрат, учет психолого-физиологических особенностей человека и социальных требований.

Как инструмент решения таких сложных многофакторных задач все чаще используется компьютерный инжиниринг, под которым понимают совокупность методов и средств практи-

Рис.1 Интеграция специальных и информационных дисциплин в инженерной подготовке.

нерной подготовки позволяет добиться повышения квалификации выпускника во всех видах профессиональной деятельности.

За последние годы произошло значительное усложнение характера и содержания проектно-конструкторской деятельности. Если традиционная схема проектирования основывалась на принципах реализуемости проекта, независимости проектирования, конструктивной целостности и оптимальности, то в современных условиях к ним добавился ряд новых принципов - минимизация экологического ущерба,

ческого решения инженерных задач самими специалистами производства с помощью средств вычислительной техники [6]. Он не только многократно повышает производительность труда инженера за счет возможностей компьютерных технологий и программ, но и позволяет реализовать принципиально новые формы выполнения проект-но-конструкторских работ, например, групповую работу над проектом с использованием современных автоматизированных сетевых систем технического проектирования и моделирования.

До недавнего времени для отече-

ственного технического образования были характерны две крайности в подготовке специалистов: традиционные методы инженерной подготовки с эпизодическим использованием компьютерной техники и подготовка разработчиков САПР с недостаточным знанием предметной области. Если на начальном этапе применения компьютерного инжиниринга такая дифференциация в подготовке кадров была допустима, то сегодня основной задачей становится интеграция специальной и информационной подготовки. Ведь быстрое развитие компьютерного инжиниринга, большое количество профессиональных программных продуктов при их ориентации на различные операционные среды и аппаратные платформы [7,8] требует от специалиста не только знания принципов работы с программами и техническими средствами, но прежде всего анализа способов их реализации в конкретном производстве. Это возможно только при высоком уровне базовой инженерной подготовки, обеспечивающей выбор рациональных конструкторско-технологических решений на основе технико-экономического анализа результатов, полученных с помощью компьютерной техники.

Для обеспечения уровня инженерной подготовки, адекватного потребностям и перспективам развития общества и техносферы, в ТИ ТГТУ разработана и успешно реализуется программа подготовки специалистов, которая включает следующие основные направления:

• формирование у студентов практических навыков работы со стандартным программным обеспечением - графической системой AutoCad, интегрированной системой автоматизации математических и инженерных расчетов MathCad, MathLab и др.;

• освоение студентами методов

компьютерного моделирования отдельных узлов, машин, аппаратов, поточных линий, анализа компьютерных моделей на всех этапах проектно-конструктор-ских работ - от концептуального проектирования до сертификации готовой продукции;

• углубленное изучение общих закономерностей проектирования, формирование у студентов системы знаний и навыков поэтапной постановки целей и выбора методов ее достижения как основы для дальнейшего системного проектирования конкретных технических объектов;

• практическое применение студентами методов компьютерного инжиниринга при выполнении расчетно-графических работ, обработке результатов экспериментов, курсовом и дипломном проектировании, создании информационного обеспечения учебного процесса;

• использование компьютерного инжиниринга, в том числе собственных научных разработок в области моделирования и оптимального проектирования процессов и аппаратов химической технологии, для выполнения совместных технических проектов с промышленными предприятиями.

Объем статьи не позволяет подробно проанализировать все аспекты использования компьютерного инжиниринга в подготовке специалистов. Поясним лишь последний тезис. В ТИ ТГТУ разработаны алгоритмы и программы оптимального проектирования энерго- и ресурсосберегающих процессов и аппаратов химических производств, имеющие важное практическое значение. Эти разработки широко применяются при проектировании реакторных установок тонкого органического синтеза на АО «Пигмент» (г. Тамбов) и в учебном процессе на профилирующих кафедрах механико-машиностроительного факультета ТГТУ.

Идентичность инструментальных средств и информационной среды деятельности студента и специалиста позволяет в ходе научной работы, курсового и дипломного проектирования выполнять конкретные проектно-кон-структорские или экспериментально-исследовательские работы по заказу предприятия.

В настоящее время в ТИ ТГТУ разрабатывается универсальная система математического моделирования, исследования, оптимизации и проектирования технологических процессов, машин и аппаратов химических производств (далее просто СИСТЕМА)[9]. СИСТЕМА представляет собой электронную энциклопедию, математическое обеспечение которой включает современные эффективные и надежные алгоритмы и программы:

• моделирования, расчета и анализа гидродинамики потоков в технологических аппаратах;

• исследования статических и динамических режимов функционирования оборудования;

• параметрической оптимизации режимных и конструктивных параметров машин и аппаратов химических производств;

• расчетов показателей надежности и долговечности деталей узлов технологического оборудования;

• оптимального проектирования как отдельных типов машин и аппаратов, так и химических производств (синтез технологической схемы, выбор площади строительства, компоновка технологического оборудования в цехе, трассировка трубопроводных и электрических коммуникаций и т.п.);

• расчетов технико-экономических показателей проектируемых технических систем.

Заметим, что имитационное моделирование уже давно входит в учебный процесс технических вузов во многих

предметных областях. Однако объединение пакетов прикладных программ различного назначения в единую СИСТЕМУ с удобным интерфейсом позволяет достичь нового качества образовательных технологий. С ее помощью можно решать задачи высокой степени сложности современными численными методами, что существенно дополняет и обогащает содержание любого из изучаемых студентами предметов. На совершенно новом уровне организуются лекционные, лабораторные, практические занятия и, что важно, самостоятельная работа студентов по таким традиционно сложным дисциплинам, как «Процессы и аппараты химических технологий», «Машины и аппараты химических производств», «Проектирование химических производств. САПР», «Математическое моделирование и оптимизация технологических процессов и оборудования» и др.

Пятилетний опыт работы с СИСТЕМОЙ показал, что она позволяет студентам выбрать наиболее грамотные технологические и конструктивные решения, близкие к оптимальным, наглядно представить объекты расчета и результаты, полученные в процессе решения, быстро и точно выполнить чертежи технологического оборудования в соответствии с ЕСКД и оценить эффективность выполненных проектов - то есть осуществляет функции компьютерного инжиниринга.

В заключение отметим, что сегодня многие российские вузы плодотворно работают в области компьютерного инжиниринга, при этом параллельно развиваются частные вузовские технологии и интегративные CAD/CAM/ CAE системы. Проведенный в марте-апреле 1999 года Международный конкурс дидактических систем, курсовых и дипломных проектов «Компьютерный инжиниринг» [10] продемонстрировал, что активное профессиональное

освоение студентами ИТ и автоматизированных средств конструкторско-тех-нологической подготовки ускоряет адаптацию выпускников к профессиональной деятельности и позволяет создавать отечественную конкурентоспособную продукцию.

Литература

1. Высшее техническое образование: миро-

вые тенденции развития, образовательные программы, качество подготовки специалистов, инженерная педагогика / Под ред. В.М. Жураковского. - М., 1998.

2. Долженко О.В, Шатуновский В.Л. Со-

временные методы и технология обучения в техническом вузе. - М., 1990.

3. Соловов А.В. Компьютерная графика в инженерном образовании //Высшее образование в России. - 1998. - № 2.

4. Иванов Ю.М. Системный подход к подготовке инженера широкого профиля. -Киев: Вища школа. - 1983.

5. Беспалько В.Л, Татур Ю.Г. Системно-методическое обеспечение учебно-вос-

питательного процесса подготовки специалистов. - М., 1989.

6. Юрин В.Н, Злыгарев В.А. Система авто-

матизированной конструкторско-техно-логической подготовки производства в качестве средства обучения. // Высшее образование в России. - 1996. - № 1.

7. Платов А. Комплексное решение задач автоматизированного проектирования, инженерного анализа и технологической подготовки производства. //САПР и графика. - 1998. - № 4.

8. Молочник В. Интегрированные техноло-

гии в CAD/CAM Cimatron. //САПР и графика. - 1998. - № 5.

9. Дворецкий С.И, Мамонтов И.Н, Игнатьева Н.В, Жданов Д.В. Система математического моделирования, оптимизации и проектирования технологических процессов и оборудования химических производств. // Информационные технологии. - 1999. - № 11.

10. Юрин В.Н. К информатизации инженерного образования: конкурс «Компьютерный инжиниринг» // Информационные технологии. - 1999. - № 9.

Т. СОРОКИНА, кандидат педагогических наук

Московский институт радиотехники, электроники и автоматики

При внедрении компьютеров в деловые игры общеинженерного курса «Основы радиоэлектроники» необходимо четко осознавать и отслеживать, какие виды учебно-познавательной деятельности можно передавать ПК без ущерба личностному развитию будущего профессионала. Очевидно, лишь те, что освобождают от выполнения рутинной работы, приводят к экономии времени и сил, то есть позволяют большую часть учебного времени использовать для выполнения творческих задач.

Компьютер в деловых играх

Содержанием предлагаемых нами деловых инженерных игр является разработка студентами радиоэлектронных схем (РЭС). В начале игры студенты разбиваются на бригады «инженеров-разработчиков», распределяются по ролям (руководитель бригады, операторы, оформители) и получают от «главного конструктора» (преподавателя) технические задания.

Игра состоит их трех этапов: разработка РЭС в каждой бригаде, «приемка» работы представителями «заказчика» и заключительная дискуссия. По