Начала инженерного образования в школе

НАЧАЛА ИНЖЕНЕРНОГО ОБРАЗОВАНИЯ В ШКОЛЕ

THE BEGINNING OF ENGINEERING EDUCATION IN SCHOOLS

A.C. Читаное, A.C. Грачев

A.S. Chiganov, A.S. Grachev

Техническое мышление, инженерия, физика, математика, информатика, технология, образование, исследование, робототехника, проект, модель, сетевой принцип.

В статье обсуждается актуальность начальной подготовки инженерных кадров на самой ранней стадии - в основной и старшей школе. Описаны подходы к развитию технического мышления школьников, позволяющие создать устойчивый интерес к инженерии у завтрашних студентов и выпускников технических вузов страны. Обращается внимание на необходимость создания педагогических условий развития инженерных способностей в средней школе. Рассматривается роль педагогического вуза в подготовке учительских кадров для решения задач инженерной подготовки школьников, специальной подготовки учителя, способного активно развивать техническое мышление учащихся.

Technical thinking, engineering, Physics, Mathematics, Computer Science, technology, education, research, robotics, project, model, network principle. This article raises the issue about the importance of the basic training of engineers at the earliest stage - in middle and high schools. The work describes the approaches to the development of students' technical thinking allowing to motivate future students and graduates of technology universities of the country. The authors point to the urgency of creating pedagogical conditions for the development of engineering skills in middle school. They also consider the role of colleges of education in teachers' training to solve the problems of students' engineering education and in a special teachers' training to make them able to develop students' technical thinking.

В настоящее время Россия испытывает острый дефицит инженерных кадров высокого уровня подготовки, обладающих развитым техническим мышлением, способных обеспечить подъем инновационных высокотехнологичных производств.

Актуальность в подготовке инженерных кадров обсуждается как на уровне регионов, так и на федеральном уровне. В подтверждение этого приведем цитату из выступления президента России В.В. Путина «...Сегодня в стране существует явная нехватка инженерно-технических работников, и в первую очередь рабочих кадров, соответствующих сегодняшнему уровню развития нашего общества. Если недавно мы говорили о том, что находимся в периоде выживания России, то сейчас мь! выходим на международную арену и должны предоставлять конкурентную продукцию, внедрять передовые инновационные технологии, нанотехнологии, а для этого нужны соответствующие кадры. А их на сегодняшний день у нас, к сожалению, нет...» [Путин, 2011].

В данной работе будут описаны подходы к развитию технического мышления школьников, которые позволят создать устойчивый интерес к инженерии у сегодняшних школьников - завтрашних студентов и выпускников технических вузов страны.

Мы планируем определить педагогические условия развития технического мышления школьников.

Хотим выразить искреннюю благодарность ОК «РУСА/1» за финансовую и практическую поддержку проекта «Образовательный Центр естественных наук им. М.В. Ломоносова».

На наш взгляд, поздно пробуждать интерес к технике и изобретательству у молодого человека, заканчивающего старшую школу и готовящегося к поступлению в вуз. Необходимо создать педагогические условия развития технического мышления в средней школе, а при условии выполнения определенных развивающих действий еще в более раннем возрасте. По нашему глубокому убеждению, если подросток в 11-13

лет не любит самостоятельно заниматься с конструктором, не увлечен красивыми и эффективными техническими конструкциями, для будущей инженерной подготовки он, скорее всего, уже потерян.

Для развития технического мышления школьника в 8-11 классах необходима активная позиция учителя физики, математики, информатики или технологии, и это можно назвать первым педагогическим условием, т. к. от этого будет напрямую зависеть развитие инженерных способностей и в конечном итоге осознанный выбор направления профессиональной деятельности юноши или девушки. В то же время активная позиция учителя не может возникнуть сама по себе, необходимо планомерное и осознанное развитие и обучение будущего или уже работающего педагога, направленное на освоение педагогических технологий, позволяющих подготовить инженера. В общем, как театр начинается с вешалки, так и инженерное образование должно начинаться с подготовки школьного учителя к деятельности в этом направлении. Именно поэтому педагогический вуз является первой ступенью в подготовке учителя, умеющего развивать и поддерживать мотивацию к техническому творчеству школьников.

Считаем необходимым отметить, что эта проблема появилась не вчера. Начиная с XVIII века в Российском государстве существовала особая забота о воспитании инженерной элиты, так называемая «Русская система инженерного образования».

Как справедливо отмечает В.А. Рубанов, «до революции в США как-то пронёсся невероятно сильный ураган. Снесло все мосты в штате, кроме одного. Того, который был спроектирован русским инженером. Правда, инженера к этому времени уволили - за ... неоправданно высокую надёжность сооружения - экономически фирме это было невыгодно» [Рубанов, 2012, с. 1].

Есть существенные отличия инженерной подготовки до революции от современного состояния, пишет в своей работе исследователь: «Русская система базировалась на нескольких про-

стых, но чрезвычайно важных принципах. Первый - фундаментальное образование как основа инженерных знаний. Второй - соединение образования с обучением инженерному делу. Третий - практическое применение знаний и инженерных навыков в решении актуальных задач общества. Это показывает разницу между образованием и обучением, между знаниями и навыками. Так вот сегодня мы повсеместно и вдохновенно пытаемся обучать навыкам без должного базового образования» [Там же].

И еще: «...Без фундаментальных знаний у человека будет набор компетенций, а не комплекс пониманий, способов мышления и навыков -того, что называется высокой инженерной культурой. Техническими новинками нужно овладевать "здесь и сейчас". А образование - нечто другое. Кажется, у Даниила Гранина есть точная формула: "Образование - это то, что остается, когда все выученное забыто"» [Там же, с. 3].

На основании вышеизложенного резюмируем, что характерная особенность подготовки инженера заключается в прочном естественнонаучном, математическом и мировоззренческом фундаменте знаний, широте междисциплинарных системно-интегративных знаний о природе, обществе, мышлении, а также высоком уровне общепрофессиональных и специально-профессиональных знаний. Эти знания обеспечивают деятельность в проблемных ситуациях и позволяют решить задачу подготовки специалистов повышенного творческого потенциала. Кроме этого, очень важно овладение будущим инженером приемами проектно-исследовательской деятельности.

Проектно-исследовательская деятельность характеризуется тем, что при разработке проекта в деятельность группы обязательно вводятся элементы исследования. Это означает, что по «следам», косвенным признакам, собранным фактам необходимо восстановить некий закон, порядок вещей, установленный природой или обществом [Леонтович, 2003]. Такая деятельность развивает наблюдательность, внимательность, аналитические навыки, которые являются составляющей инженерного мышления.

<С £

С т

о

Рч

м

т

н о

Рч

о ^

5

о ^

£ а

« с «

X

Н

и

щ м

Эффективность применения проектной деятельности для развития технического мышления подтверждается формированием особых личностных качеств школьников, участвующих в проекте. Эти качества не могут быть освоены вербально, они развиваются только в процессе целенаправленной деятельности обучающихся в ходе выполнения проекта. При выполнении небольших локальных проектов основной задачей работающей группы является получение законченного продукта их совместной деятельности. При этом происходит развитие таких важных для будущего инженера качеств, как умение работать в коллективе, разделять ответственность за принятое решение, анализировать полученный результат и оценивать степень достижения поставленной цели. В процессе этой командной деятельности каждый участник проекта должен научиться подчинять свой темперамент и характер интересам общего дела.

Опираясь на анализ научных источников и все вышесказанное, определим основные условия развития технического мышления школьников, необходимые для реализации дальнейшей инженерной подготовки:

- фундаментальная подготовка по физике, математике и информатике по специально разработанным программам, логически связанным между собой и учитывающим технологический уклон обучения этим дисциплинам;

- системообразующим и интегрирующим все основные дисциплины является предмет « Робототехн и ка »;

- активное использование в учебном процессе второй половины дня для проектно-исследовательской и практической деятельности учащихся;

- упор в обучении делается не на одаренных школьников, а на школьников, заинтересованных в развитии технического мышления (обучение зависит от степени мотивации, а не от предыдущих учебных успехов);

- учащиеся собираются в «инженерную группу» только на обязательных занятиях по физике, математике и информатике, находясь остальное время в своих постоянных классах (группа обуча-

ющихся школьников не выделяется структурно в отдельный класс из своей параллели);

- обучение «инженерной группы» строится по сетевому принципу.

Остановимся более подробно на этих условиях.

Первым условием мы выделяем фундаментальную подготовку по основным базовым дисциплинам - физике, математике, информатике. Без ключевых, фундаментальных знаний по физике и математике трудно ожидать дальнейшего успешного движения в овладении школьниками основами технического мышления. В то же время фундаментальная подготовка для будущих физиков и инженеров - две большие разницы. В развитии технического мышления главное требование от предмета физика - это реальное представление о явлениях, происходящих при технической реализации конкретного проекта. Достаточная математическая подготовка позволяет сделать сначала предварительную оценку необходимых условий, а в дальнейшем точный расчет условий реализации будущего устройства. Строгое доказательство, присущее математическим дисциплинам, и глубинное теоретическое проникновение в суть физического явления не являются жизненной необходимостью инженерной практики (зачастую это может даже вредить принятию взвешенного технического решения).

По выражению В.Г. Горохова, «инженер должен уметь нечто такое, что нельзя выразить одним словом "знает", он должен обладать еще и особым типом мышления, отличающимся и от обыденного и от научного» [Горохов, 1987].

Фундаментальная подготовка будущих инженеров достигается за счет разработки специальных программ по физике, математике и информатике, в значительной степени интегрированных между собой. Количество учебных часов увеличено по сравнению с обычной школьной программой (физика - 5 часов вместо 2, математика - 7 часов вместо 5, информатика - 3 часа вместо 1). Расширение программ происходит в значительной мере за счет применения в обучении практикумов, ориентированных на решение прикладных и технических задач, а так-

же выполнение исследовательских проектов во второй половине дня.

Предмет робототехника является системообразующим и интегрирующим для всех основных предметов обучения. Создание робота позволяет слить в единое целое физические принципы конструкции, оценить ее реализацию, провести расчет ее действий, запрограммировать на получение определенного законченного результата.

В отличие от других подобных школ, в которых основное и дополнительное образование не связаны в единый образовательный процесс, наши программы для своей реализации используют возможности дополнительного образования во второй половине дня. В них вынесены практикумы и проектно-исследовательская деятельность школьников. В процессе этой работы ученики выполняют небольшие законченные инженерные проекты, позволяющие применить знания, полученные по всем основным дисциплинам. Эти проекты включают в себя все основные этапы реальной инженерной деятельности: изобретательство, конструирование, проектирование и изготовление реально работающей модели.

Еще одним условием построения инженерного обучения является ориентация не на одаренных, имеющих высокие результаты школьников, а на интересующихся инженерией учащихся, возможно имеющих не очень высокие достижения в базовых предметах. В своем образовании мы стремится развить учебные способности и техническое мышление школьников, до этого момента не проявивших себя, за счет эксплуатации их высокого интереса к этой области знаний. На это направлены специальные образовательные процедуры, такие как: экскурсии в музеи и на предприятия, индивидуальные и групповые турниры, посещение университетских лабораторий и организация занятий в них. С этой целью в институте математики, физики, информатики КГПУ им. В.П. Астафьева создана специальная лаборатория робототехники, рассчитанная на проведение занятий со школьниками и студентами.

На данный момент в значительном количестве школ существуют профильные физико-математические классы, и можно было бы предположить, что такие классы успешно справляются с подготовкой учащихся, склонных к инженерной деятельности, но на деле это не так. В физико-математических классах более подробно изучаются профильные предметы, но и только, а это никак не позволяет учащимся более подробно узнать о профессии инженера, а тем более «прочувствовать», что значит быть инженером.

В профильных классах изучается всё та же школьная программа, пусть и более углубленно, которая, возможно, и позволит детям лучше узнать тот или иной предмет, но никак не помогает им приобрести навыки инженера.

Инженерное образование, кроме изучения школьной программы, должно позволять учащимся комбинировать полученные ими знания на всех основных предметах в единое целое. Этого можно достичь, внося в программы основных предметов (в их практическую и тренировочную часть) единую техническую составляющую.

Кроме этого, процесс переформирования сложившихся учебных структур с целью выделения профильного класса является болезненным и неоднозначным. Зачастую нежелание переходить в другой класс, обрывать сложившиеся социальные и дружеские связи выше, чем интерес к новой познавательной области. Еще одним доводом против создания в школе выделенных профильных классов служит изначальная элит-ность их образования.

О выпускниках физико-математических школ интересно, на наш взгляд, высказался Е.В. Крылов: «...Я работал в Новосибирском университете по курсу математического анализа и наблюдал дальнейшую судьбу выпускников профильных школ. Убеждённые, что им всё известно, они нередко расслаблялись на первом курсе вуза и уже через год проигрывали студентам, пришедшим из обычных школ» [Крылов, Крылова, 2010, с. 4].

В реализуемом нами проекте «Образовательный Центр естественных наук им. М.В. Ломоносова (ЦЛ)» для занятий по математике, физике и информатике школьники собираются в специально

<С £

С т

о

ь

к ^

м т н о

Рч

о ^ о о

О Й

3

м н к о

Рч

м

0

1

к

а

«

о м

V

к

ь

1-4

<с «

м с

X

н и

щ м

выделенных лабораториях из своих постоянных классов. После окончания занятий на остальные предметы учащиеся возвращаются в свои привычные сложившиеся классы и служат проводниками и агитаторами преимуществ развития инженерного образования в школьной среде.

В случае создания выделенного класса мы решаем сразу множество организационных проблем, но при этом лишаем школьников возможности развить самостоятельность и ответственность, так как эти компетенции могут быть развиты только в определенных условиях и эти условия отсутствуют при обучении в выделенном классе.

Данный проект нами разработан и реализуется с 2013 года. В состав проектной группы входят сотрудники института математики, физики, информатики КГПУ им. В.П. Астафьева, представители администрации и учителя гимназии1. По опыту работы в 2013-1014 годах наша проектная группа пришла к осознанному решению о необходимости устройства инженерной школы по сетевому принципу. Необходимость сетевого устройства продиктована невозможностью обеспечить полноценное развитие технического мышления и инженерного образования используя ресурсы какой-то одной образовательной структуры. Инженерное образование, по сути, поливариантное и требует участия в учебном процессе различных представителей разных уровней образования (школьного и вузовского), представителей производственного сектора экономики, родителей.

Сетевое взаимодействие позволяет вести совместную разработку оригинальных образовательных программ. На основе коллективов всех участников проекта формируется объединенная команда педагогов и представителей профессии. Оборудование и помещения каждой организации совместно используются участниками сети, осуществляется совместное финансирование проекта.

Внутри школы существуют структуры дополнительного образования, которые готовы быть

1 Здесь и далее речь идет о Красноярской университетской гимназии N° 1 «Универс».

партнерами в этом образовании. Одна из таких структур напрямую предназначена для становления и развития технического мышления школьников - это «Центр молодежного инновационного творчества (ЦМИТ)», где установлено уникальное цифровое оборудование для 30-типирования, другая - «Молодежный исследовательский институт гимназии (МИИГ)», занимающийся проектно-исследовательской деятельностью со школьниками во вторую половину дня.

Обозначим всех равноправных субъектов сложившейся на настоящий момент сети и раскроем их функции.

- Красноярская университетская гимназия № 1 «Универс» - обеспечивает и контролирует учебную нагрузку учащихся по основному образованию в первой половине дня и частично во второй.

- Учреждения дополнительного образования (ЦМИТ, МИИГ) - реализуют проектную учебную нагрузку учащихся во второй половине дня.

- Педагогический университет (КГПУ) - осуществляет разработку и контроль образовательных программ центра в части развития технического мышления.

- Предприятия (РУСАЛ, Красноярский радиозавод, Российский филиал компании National Instruments) - обеспечивают технологические аспекты и профессионально-техническую подготовку на базе своих учебных центров и оборудования.

- Родители - финансируют услуги дополнительного образования, участвуют в организации выездных мероприятий, оказывают влияние на школьников через отдельных представителей, владеющих инженерными профессиями.

Такое сетевое устройство возможно при работе объединенной, открытой команды педагогов, представителей профессий и заинтересованных родителей.

В то же время каждый субъект этой сети может выполнять и свои специфические функции в совместном учебном процессе. Применительно к Центру естественных наук им. М.В. Ломоносова имеющаяся на сегодняшний день сетевая структура, показана на рис.

Рис. Схема сетевого устройства Центра

Вернемся теперь к вопросу о роли педагогического вуза в подготовке кадров для решения задач инженерной подготовки школьников. Для подготовки учителя, готового активно развивать техническое мышление учащегося, необходима его специальная и целенаправленная подготовка. Так сложилось, что в рамках института математики, физики, информатики существуют все необходимые профессиональные возможности для подготовки такого учителя. В рамках института существуют кафедры математики, физики, информатики и технологии. В настоящее время в институте разработана и принята программа двухпрофильного бакалавриата, связывающая физику и технологию. Программа подготовки будущего учителя технологии сейчас пересматривается с опорой на задачи инженерной школы. Изменена программа математической подготовки студентов, добавлены курсы начертательной геометрии, графики и черчения. Значительно изменены учебные материалы в части тригонометрии, элементарных функций и векторной алгебры. У студентов-технологов преподается дисциплина «Робототехника». В настоящее время де-

лаются попытки изменить подготовку по физике, связывая физические практикумы с технологическим приложением.

Библиографический список

1. Горохов В.Г. Знать, чтобы делать. М., 1987.

2. Крылов Е.В., Крылов О.Н. Преждевременное развитие - вред интеллекту? // Аккредитация в образовании. 2010. N 6 (41). Сентябрь.

3. ЛеонтовичА.В.Обосновныхпонятияхконцеп-ции развития исследовательской и проектной деятельности учащихся // Исследовательская работа школьников. 2003. № 4. С. 18-24.

4. Путин В.В. Мнения российских политиков о нехватке инженерных кадров. 11.04.2011 // Государственные вести (GOSNEWS.ru). Интернет-издание [Электронный ресурс]. URL: http://www.gosnews.ru/ business_and_ authority/news/643

5. Рубанов В.А. Проекты во сне и наяву, или О Русской системе подготовки инженеров // Независимая газета. 2012. 12. № 25.

<С

а

ч

с m

о

ь

к Щ

w m н о

Рч <

о ^ о о

О Й

Ei

W

н S о

Рч

W

0

1

к %

о

W V S

ь

1-4

<с п

W

с

S

X

н и

щ м