Цели и методология сквозного проектирования технических систем

Цели и методология сквозного проектирования технических систем

В прессе и в интернете не утихают споры вокруг реформы высшего образования. Как всем известно, всё началось после присоединения РФ к Болонскому процессу в сентябре 2003 г. В рамках Болонского процесса сформулированы фундаментальные принципы общеевропейской системы высшего образования, а именно [15]: «Введение двухуровневого обучения, введение кредитной системы, контроль качества образования, расширение мобильности, обеспечение трудоустройства выпускников, обеспечение привлекательности европейской системы образования». Отсюда напрашивается вывод: многие выпускники наших вузов при желании и старании смогут учиться и работать в европейских странах. Хорошо, конечно, но как быть с нашей промышленностью при большой нехватке инженерных кадров.

Ректор МГУ имени М. В. Ломоносова Виктор Садовничий назвал ошибкой переход на Болонскую систему высшего образования и предложил вернуться к пятилетнему обучению. «Не удержусь и еще раз скажу: Я считаю ошибкой допущенный нами переход на четырехлетнее образование в высшей школе», - сказал В. Садовничий, выступая на III Конгрессе «Инновационная практика: наука плюс бизнес» [14]. По его мнению, в ходе такого обучения предмет изучения становится очень общим.

Действительно, при перестройке образования очень важно не упустить те рациональные зерна, которые отличали советское образование [2], и благодаря которым страна вышла в лидеры по освоению космоса, а её воспитанники находили достойную работу не только у нас, но и за рубежом, чему есть многочисленные примеры.

В ходе перехода на двухуровневую систему вузы столкнулись с проблемой уменьшения доли аудиторной нагрузки, это привело к дефициту практических навыков в бакалавриате, что не позволяет подготовить кадры для решения профессионально-производственно-технологических задач. Для работодателей в свою очередь проблемы возникли в области несформированности технологического уклада для трудоустройства выпускников бакалавриата по некоторым направлениям подготовки, низкого уровня внедрения результатов научно-технических разработок в учебный процесс, что приводит к необходимости доучивания и повышения квалификации кадров. Программы повышения кадров и переподготовки кадров в вузах в большинстве случаев не соответствуют потребностям заказчиков из высоко технологических отраслей, в т. ч. и оборонно-промышленного комплекса России [12].

Однако новая система высшего образования с подготовкой бакалавров и магистров не так плоха, как кажется на первый взгляд. Благодаря возможности вводить в учебный план отдельные вариативные дисциплины специализации и дисциплины по выбору по усмотрению вуза, мы можем формировать учебный план исходя из потребностей бизнес-среды региона или под нужды отдельного крупного заказчика определенных отраслей промышленности.

Стоит отметить, что реальное внедрение современной модели подготовки специалиста требует не только изменения внешних рамок, то есть стандарта, но и тотальной внутренней перестройки всей образовательной модели. Сейчас решение этой проблемы происходит стихийно и зависит в основном от инициативности руководства конкретных образовательных организаций высшего образования. По сути, основная проблема федеральных государственных образовательных стандартов лежит не в качестве самих стандартов, а в эффективности их применения [6].

В рамках обучения в Южном федеральном университете (ЮФУ) активно применяется практико-ориентированное обучение инженерным направлениям [4]. В рамках всего времени обучения у студентов формируется мотивация приобретения профессиональных компетенций посредствам привлечения к следующим формам обучения:

• — учебно-исследовательская работа;
• — научно-исследовательская работа;
• — плановая научно-исследовательская работа.

Помимо этого, практико-ориентированное обучение позволяет применять различные новые педагогические концепции для более гибкой подготовки кадров, в том числе на примере опыта ведущих зарубежных вузов. Такими методиками является применение проектного подхода [19], активных форм обучения [20] и управляемое самостоятельное обучение (УСО) [3], применяемое в ЮФУ в качестве эксперимента с 2010 года. В рамках эксперимента, проведенного в ЮФУ, было выбрано несколько направлений подготовки бакалавров и магистров в различных областях науки. В работах [7,9,18] можно познакомиться с результатами эксперимента в рамка УСО в области инженерной подготовки по направлению подготовки бакалавров и магистров «Автоматизация технологических процессов и производств». Данный эксперимент показал хорошие показатели качества проектной составляющей для инженерных направлений.

С 2015 года в ЮФУ реализуется собственные стандарты также на основе усиленной роли проектного обучения [11]. Результатом данной работы явилось внедрение модулей проектной деятельности в бакалавриате на 1−3 курсах и в магистратуре на первом курсе. Целью реализации модулей проектной деятельности является внедрение метода проектного обучения, направленного на решение профессионально ориентированных задач, требующих привлечения знаний из различных дисциплин, которые предполагают развитие личностных и профессиональных качеств, умений и навыков, необходимых высококвалифицированному, конкурентоспособному специалисту, востребованному на рынке труда.

Кафедре систем автоматического управления (САУ) Института радиотехнических систем и управления (ИРТСУ) ЮФУ удалось, на наш взгляд, реализовать такую подготовку. В рамках её реализации студенты с первых этапов обучения должны знакомиться с практическими аспектами будущей своей профессиональной деятельности и подробно изучать объекты, подлежащие автоматизации и управлению. Затем, постепенно, при овладении новыми компетенциями, разрабатывать алгоритмы контроля и управления, выбирая технические средства для целей измерения сигналов, формирования управляющих воздействий с визуализацией и разработкой автоматизированного рабочего места (АРМ) диспетчера, заканчивая полноценным проектом автоматизированной информационно-управляющей системы (АИУС) с применением SCADA-технологий [13].

Предлагаем проследить эти аспекты на основе реализации направления подготовки бакалавров и магистров «Управление в технических системах».

На рисунке 1 представлена укрупненная структура учебного плана направления бакалавров «Управление в технических системах», отражающая этапы сквозного проектирования систем управления до её реализации в рамках защиты выпускной квалификационной работы (ВКР) бакалавра, составленного в соответствии с ФГОС 3+ [16]. Как видно из рисунка, при реализации этого плана была выработана своя траектория обучения, позволившая обеспечить сквозное проектирование алгоритмов и соответствующих технических средств с выходом на защиту бакалаврской работы, например, по теме «Управление подвижным объектом».

Рисунок 1. Этапы сквозного проектирования ВКР бакалавра на основе учебного плана «Управление в технических системах».

Для реализации первого этапа сквозного проектирования наряду с дисциплинами, предусмотренными стандартом, используются проектные модули «Проект первого курса» и «Учебная практика». При этом корректируется тема ВКР, например, «Управление подвижным объектом» уточняется уже на первом этапе в тематику «Управление траекторным движением самолета».

На втором этапе наряду с «Проектом второго курса» и модулем «Производственная практика», позволяющей познакомиться с реальным объектом управления (ОУ), в частности, самолетом, как в предлагаемом примере, с использованием дисциплин ФГОС 3+ строится модель ОУ с определением её параметров и проверкой результатов путем моделирования в стандартных инженерных средах таких, как Matlab, Maple и др. Так в используемом примере были использованы не только литературные источники [1, 8], но и результаты исследования ОУ на тренажерном стенде в ходе производственной практики.

При выполнении курсовой работы по курсу «Теория автоматического управления» (третий этап проектной деятельности) разрабатывается алгоритм управления для исследованного ОУ с использованием наблюдателя и стандартных законов управления. Проверка полученной системы управления обычно выполняется в прикладном пакете Simulink среды Matlab.

Для технической реализации элементов систем управления рекомендуется рассмотреть аналоговый вариант на операционных усилителях и цифровой вариант с использованием современных микроконтроллеров (микропроцессоров). Анализ надежности и технико-экономических показателей позволяет выбрать оптимальный вариант технической реализации управляющего устройства (УУ), представляемого к защите в ВКР.

На рисунке 2 представлена структура сквозного проектирования ВКР магистров по направлению подготовки «Управление в технических системах» [17] с учетом вариативной компоненты и дисциплин по выбору, предложенных кафедрой САУ. ВКР магистра может быть продолжением ВКР бакалавра, но с совершенствованием, как алгоритма управления, так и его программной и аппаратной реализации с исследованием для различных платформ и технологий. При сохранении темы «Управление траекторным движением самолета» следует, например, использовать процедуры синергетического подхода для расчета управляющих моментов с учетом.

Рисунок 2. Этапы сквозного проектирования ВКР магистра на основе учебного плана «Управление в технических системах».

ограничений, разработать программную реализацию для бортовой цифровой вычислительной машины с визуализацией результатов на многофункциональные дисплеи (МФД).

Если же тема ВКР магистров не связана с темой ВКР бакалавра, особенно при поступлении студентов в магистратуру из других вузов или других направлений подготовки, то, как видно из рисунка 2, времени и возможностей на реализацию новой тематики ВКР также вполне достаточно. При этом талантливые студенты имеют дополнительную возможность по теме ВКР выступить с докладом на конференции и опубликовать статью по своей разработке, подтвердив таким образом способность к научной работе. Так в приведенном примере может быть сделан доклад на Международной студенческой олимпиаде по автоматическому управлению, тезисы которого на английском языке включены в сборник трудов Балтийской Олимпиады ВОАС, что позволит магистру получить рекомендацию для поступления в аспирантуру.

Для сравнения предлагаем рассмотреть этапы сквозного проектирования в процессе пятилетнего обучения, реализуемого ранее по программе специалитета «Управление и информатика в технических системах» (рисунок 3).

Рисунок 3. Этапы сквозного проектирования в процессе пятилетнего обучения специалитетов «Управление и информатика в технических системах».

Из указанного рисунка следует:

• 1. Проектирование начиналось не с 1-го, а с 3-го курса (6 семестр).
• 2. Отсутствовала строгая последовательность действий, позволяющая, как в рассмотренных выше этапах проектирования, обеспечивать сочетание разработки с материалом лекций, практических занятий и лабораторных работ по преподаваемым дисциплин.
• 3. Основной упор при проектировании делался только в период дипломного проектирования.

Считаем, что предлагаемый учебный план, по которому ведется подготовка бакалавров и магистров, включает значительно больше возможностей, поскольку отличается гибкостью и способностью готовить высококвалифицированных технических специалистов и научных сотрудников. Следует отметить ещё одно звено, которое помогает связать студентов с производством и их будущей работой.

Кафедра САУ заключила договор с предприятием «Научно-исследовательская лаборатория автоматизации производства» (НИЛ АП) о сотрудничестве в области повышения качества подготовки студентов ЮФУ [5]. Благодаря этому договору студенты, обучающиеся в магистратуре, проходят на этом предприятии производственную практику, выполняя тематические задания по заказу предприятия на договорной основе. Многие из них после успешной защиты магистерской диссертации трудоустраиваются в НИЛ АП в качестве подготовленных по профилю предприятия специалистов.

Заключение

Что же необходимо дополнительно предусмотреть для успешной реализации тезиса «Сквозное проектирование»? Во-первых, необходимо направить усилия на повышение квалификации молодых преподавателей, например, путём кафедральных семинаров и практических занятий [10]. Во-вторых, реализовать механизм взаимозаменяемости лекторов в соответствии с тезисом: «Если твоя работа не совершенствует тебя, то как она может совершенствовать других». При этом целесообразно использовать технологии профильных программ повышения квалификации на ведущих предприятиях. Это будет мотивировать преподавателей, и оправдывать дополнительную часовую нагрузку в соответствии с индивидуальным планом.

И, самое главное, каждый преподаватель своей дисциплиной должен представлять себя как последовательное звено в цепи формирования будущего специалиста. Выпадет одно звено или будет некачественным, пропадет труд всего коллектива. Следует донести это не только до преподавателей, но и до студентов, так как их желание получить достойное образование должно превышать все другие потребности.

• 1. Александров А. Д., Андреев В. П., Кейи В. М. и др. Под ред. Александрова А. Д., Федорова С. М. — М.: Машиностроение, 1983 г. — 223 с.
• 2. Аналитическая записка НАТО «Научно техническое образование и кадровые резервы в СССР» — Париж, 1959. URL: http://statehistory.ru/4316/Analiticheskaya-zapiska-NATO-ob-obrazovanii-v-SSSR-1959;g-// (дата обращения: 15.04.2017)
• 3. Вим Вам Петегем, Хелен Каменски. Образование для инноваций. Применение передовой методики преподавания и обучения в ЮФУ. — Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2009. — 107 с.
• 4. Грищенко С. Г., Кисель Н. Н. Опыт внедрения практико-ориентированного обучения по инженерным направлениям подготовки в Южном федеральном университете — Инженерное образование, 2014, № 15 — С. 158−164
• 5. Договор № 2−15 от 01.12.2015 г. «О сотрудничестве в области повышения качества подготовки студентов ЮФУ» между ИРТСУ ЮФУ и НИЛ АП. Источик http://rtf.sfedu.ru/practice.php (дата обращения: 05.04.2017)
• 6. Доклад Правительства Российской Федерации Федеральному Собранию Российской Федерации о реализации государственной политики в сфере образования. — Москва, 2014
• 7. Косенко Е. Ю., Номерчук А. Я., Финаев В. И. Применение концепции управляемой самостоятельной работы при подготовке магистров. — Актуальные вопросы профессионального образования, 2013, Т.10. — № 13 (116). — С. 76−78.
• 8. Михалев И. А., Окоемов Б. Н., Чикулаев М.C. Системы автоматического управления самолетом. — М.: Машиностроение, 1987 г. — 255 с.
• 9. Номерчук А. Я., Финаев В. И., Косенко Е. Ю. Применение метода проблемного обучения в рамках концепции управляемого самостоятельного обучения при подготовке студентов инженерных направлений // Инновационный потенциал субъектов образовательного пространства в условиях модернизации образования. Часть1: материалы IV международной научно-практической конференции (21−22 ноября 2013 г., Россия, Ростов-на-Дону). — Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ ЮФУ, 2013, — С. 107−109.
• 10. Образовательная политика в части управления и реализации моделей образовательных программ высшего образования. Решение ученого совета СПбПУ от 25.01.2016 г. — СПб. — 2016 [Электронный ресурс]. Адрес доступа: https://docviewer.yandex.ru/view/0/?*=5mn3b0hPHI8Un%2BBLbcCWGIiChxV7InVybCI6Imh0dHA6Ly93d3cuU3BiU1RVLnJ1L3VwbG9hZC9kbW8vT2JyX3BvbGl0aWthXzIxLjAzLjIwMTYucGRmIiwidGl0bGUiOiJPYnJfcG9saXRpa2FfMjEuMDMuMjAxNi5wZGYiLCJ1aWQiOiIwIiwieXUiOiI5ODgxMzY2MzAxNDg1ODUwOTExIiwibm9pZnJhbWUiOnRydWUsInRzIjoxNDkzNjI1OTUwNzU5fQ%3D%3D&page=1&lang=ru (дата обращения 29.04.2017 г.).
• 11. Приказ ЮФУ от 27.01.2016 г. № 15-ОД «О стандарте проектирования и реализации образовательных программ Южного федерального университета в новой редакции» — URL: http://education.sfedu.ru//docstation/com_docstation/ 38/p15_od_standart_ proektirovaniya_i_realizatsii_op.pdf (дата обращения: 15.04.2017).
• 12. Пшихопов В. Х., Косенко Е. Ю. К вопросу о совершенствовании системы подготовки инженерных кадров. — Высшее образование в России, 2015, № 8−9. — С. 87−93.
• 13. Пьявченко Т. А. Автоматизированные информационно-управляющие системы с применением SCADA-системы Trace Mode: Учебное пособие. — Спб.: Издательство «Лань», 2015. — 336 с.: ил. — (Учебники для вузов. Специальная литература).
• 14. Ректор МГУ предложил вернуться к пятилетнему обучению в вузах. Москва, 7 декабря 2016 г. /ТАСС/.
• 15. Россия и Болонский процесс. — [Электронный ресурс]. Адрес доступа: http://mirznanii.com/a/180 846/rossiya-i-bolonskiy-protsess (дата обращения: 15.04.2017)
• 16. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования. Уровень высшего образования: бакалавриат. Направление подготовки 27.03.04 Управление в технических системах.
• 17. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования. Уровень высшего образования: магистр. Направление подготовки 27.04.04 Управление в технических системах.
• 18. Финаев В. И., Косенко Е. Ю., Номерчук А. Я. Применение проектного подхода при реализации самостоятельной работы бакалавров инженерных направлений. — Актуальные вопросы профессионального образования, 2014. Т. 12. — № 15 (142). — С. 52−54.
• 19. Baptiste, S., Problem-Based Learning: A Self-Directed Journey, SLACK Incorporated, 2003.
• 20. Prince, M., «Does Active Learning Work? A Review of the Research», Journal of Engineering Education, Vol. 93 (3), 2004.