Парадоксы компьютеризации в инженерном образовании: инженерная графика

Виктор Лившиц
К.т.н., преподаватель Университета Бен-Гуриона в Негеве (г.Беер-Шева, Израиль), член-корреспондент Российской академии информатизации образования

Работодатели во всем мире испытывают всё более острую нехватку инженеров, профессиональная компетентность (ПК) которых соответствовала бы постоянно возрастающей сложности компонентов и систем техносферы, инфосферы и социосферы. Значительная часть втузов системы инженерного образования (Engineering Education — в дальнейшем ЕЕ) не обеспечивает приемлемого уровня такого соответствия своих выпускников — молодых специалистов вследствие длительной стагнации в состоянии Educational Gap (EG) — отрыва, отставания модулей ЕЕ и всей системы ЕЕ в целом от сегодняшнего уровня технологий и завтрашних инноваций хай-тек, инфо-тек и сайенс-тек. Все аспекты EG и пути его преодоления впервые были детально проанализированы в монографии [1] в 2003 году.

Усилия международного образовательного и инженерного сообщества сконцентрированы на преодолении EG. В настоящее время эти усилия  сосредоточены на проекте  CDIO — Initiative [2], девиз которого: «Реинжиниринг ЕЕ» [3], или Returning to Engineering Fundamentals — возврат к основам инженерного дела и инженерного искусства [4]. Детальному анализу тенденции реинжиниринга ЕЕ посвящена статья [5]. Под таким углом зрения на модернизацию ЕЕ следует рассматривать и процесс тотальной компьютеризации ЕЕ, который вот уже почти полвека охватывает одну за другой все составляющие ЕЕ — обучение, образование, абилитацию. Именно компьютер сегодня — носитель и главный двигатель инноваций в эдукологии (науке об образовании), методологии, дидактике и технологии ЕЕ. Однако тотальная компьютеризация неизбежно влечет за собой и издержки — компьютерную эйфорию  или, как говорил великий ученый и инженер И.И. Артоболевский, «кибернетическое шапкозакидательство». Одно из очень частых проявлений таких издержек в ЕЕ — синдром виртуализации, анализу которого посвящена статья [6].

Спектр учебных и научных дисциплин и аспектов компьютеризации за пределами России называется в школьных программах  Сomputers, а во втузовских программах — Computer sciences (CS). В России абсолютно для всех аспектов и явлений в области компьютеров используется термин  «информатика». За пределами России этот термин в широком значении давно уже не применяется. В узком смысле слова «информатика» (англ. information sciences) охватывает только часть компьютерных приложений: информационные потоки, базы данных, движения материальных и финансовых ресурсов, запасы и резервы, диспетчеризацию, учет и планирование, банковское и бухгалтерское дело, страховой бизнес. За пределами этих сфер остаются гигантские области, охваченные компьютеризацией, прежде всего — инженерное дело, не менее важное в развитии цивилизации, чем вышеперечисленные компоненты информатики. Таким образом, термины «информатика» и  Computer sciences совершенно неоднозначны по  охвату предметных областей.

Поэтому употребление россиянами термина «информатика» за пределами России вызывает недоумение. Известен случай, когда маститый ученый попросил разъяснить, что его русские коллеги подразумевают под этим термином. И, услышав в ответ, что «информатика» и Computer sciences —  идентичные термины, возразил: «Это равносильно утверждению, что футбол на поле стадиона и настольный футбол — это одно и то же». Действительно, для иностранца «информатика» звучит усеченно и легковесно. На наш взгляд, нужно менять этот термин и использовать вместо него созвучное слово «компьюторика», являющееся переводом Computer sciences.

Целью проекта CDIO — Initiative является кардинальное реформирование ЕЕ для формирования нового поколения инженеров. Категоричный императив этой реформы — кардинальное улучшение подготовки выпускников — молодых специалистов ЕЕ в области сегодняшней и завтрашней практики инновационного инженерного дела и инженерного искусства (ИДИ). Проект меняет парадигму ЕЕ: начинающий инженер должен владеть пакетом профессиональных знаний на уровне мастерства (skills). Это совершенно новый подход для втузов, поскольку до сих пор подавляющее большинство модулей системы ЕЕ — отделения, кафедры, факультеты, институты — полагают своей целью общее образование выпускников, а абилитацию — подготовку к инженерной деятельности в ИДИ техносферы — ставили на второе место, а иногда даже выносили за пределы системы ЕЕ, полагая, что абилитация — это забота работодателей или даже самого  молодого специалиста. Новая парадигма CDIO означает резкий поворот в тенденциях развития втуза. Сегодня очень многие втузы, длительное время стагнируя в состоянии EG, движутся в сторону так называемого нефункционального образования и превращаются в инкубаторы некомпетентности, граничащей с невежеством. Выпускники таких втузов — эрудиты, инженеры «в белых халатах», страшащиеся реального производства, железных движущихся и рычащих машин и вообще любых физических элементов техносферы и стремящиеся работать только в офисах на компьютерах. Работники техносферы называют таких молодых специалистов «эмбрионами» инженера. Новая парадигма CDIO требует для работы в техносфере готовить в рамках Syllabus профессионалов, а не эрудитов. Предыдущий этап реформирования ЕЕ, называемый в континентальной Европе «болонским процессом», конечно, существенно приблизил систему ЕЕ к потребностям техносферы,  однако полностью ожиданий не оправдал: конвергенция между академической системой ЕЕ и  инновационной практикой ИДИ оказалась незначительной; EG продолжает господствовать в ЕЕ.

Эдукологи знаменитого MIT — Массачусетсского института технологии, создатели и промоутеры проекта CDIO, указывают на следующие изъяны, свойственные системе ЕЕ и ее «продукции» — начинающим инженерам, вследствие сложившейся ситуации EG:

• молодые специалисты, придя на место своей первой работы,  обнаруживают резкую нехватку своего «багажа» ПК и вынуждены доучиваться и переучиваться;
• знания, умения и навыки (ЗУН), полученные в дисциплинах естествознания и технознания, носят схоластический и абстрактный характер, не связаны с профессиональной проблематикой работодателя и не собраны в ментальную  машину — тезаурус, который и стал бы необходимой молодому специалисту инструментальной конструкцией инженерного мастерства (skills);
• абилитация  молодого специалиста в аналитическом, системном и инженерном мышлении слаба;
• слабое знание инструментов и стандартов инженерной графики; поголовное неумение набросать на листке бумаги простейший эскиз и считать в уме даже в пределах двух действий арифметики;
• в Syllabi полностью отсутствуют практики на производстве и пропедевтические (подготовительные) дисциплины по базовым технологиям на младших курсах;
• всё обучение ведется на доске, экране компьютера и по раздаточным материалам, копирующим страницы учебников; полноценного инженера нельзя подготовить с помощью подобных дидактических средств;
• очень часто студент за всё  время обучения не выполняет ни одного учебного задания своими руками; вековой принцип обучения инженера «руки  растят голову» исчезает из ЕЕ;
• преподаватели часто не обладают даже минимумом знаний о будущей профессии своих слушателей; студент за всё время обучения может ни разу не услышать лекции профессионала — инженера из техносферы или ни разу не выполнить лабораторного практикума под его руководством;
• подготовка инженеров ведется «котловым» способом, без учета специфики будущего места работы — «конфекция» по­прежнему не уступает место «бутику», хотя соответствующая технология целевой интенсивной подготовки специалистов (ЦИПС) известна давным­давно.

По утверждению эдукологов  MIT, феномен EG появился в середине ХХ века, когда научно­технологическая революция (НТР) дала мощный импульс развитию техносферы. Именно тогда академическое ЕЕ сделало свой выбор  и перенесло  центр тяжести  на изложение теоретических аспектов  НТР, оставив за бортом инновационную практику ИДИ.  Этот выбор получил идеологическую  базу  в виде примата концепции «фундаментализации ЕЕ» (ФЕЕ), которая и составляет сегодня несущую платформу EG. Цель проекта CDIO — Initiative — ликвидировать этот перекос. Решение задач  реинжиниринга ЕЕ, то есть устранения EG, невозможно без решительного пересмотра концептуальной базы ЕЕ и замены концепции ФЕЕ на инновационную концепцию «профессионализации ЕЕ» (ПЕЕ) во всех без исключения курсах, дисциплинах и практикумах Syllabi. Подробному анализу концепций ФЕЕ и ПЕЕ посвящена статья [7]. Таким образом, только сквозная профессионализация обучения, образования и абилитации может быть выбрана в качестве технологии реинжиниринга ЕЕ.

Суть процесса реинжиниринга ЕЕ заключается в том, что каждый час учебного времени должен быть посвящен подготовке, выработке и закреплению элементов инженерного мастерства и профессиональных компетенций. Из учебного процесса должны быть исключены школярские, усеченные и упрощенные лекции, семинары, практикумы,  лабораторные  работы и проекты. В основе всех без исключения заданий, примеров и  практик должны лежать задачи и проблемы инновационной практики ИДИ. Необходимо свести к минимуму многочисленные эрзацы, суррогаты, имитации и симуляции компонентов техносферы — процессов, машин, элементов и систем. Подмена обучения  мастерству школярскими упражнениями должна решительно отвергаться.

Syllabus должен включать обязательные занятия студента на объектах подлинной техносферы для проверки и оттачивания  индивидуального «багажа» ПК. При  этом студент учится преодолевать энтропийное сопротивление элементам техносферы и внешней среды  любым инновациям. Практикум должен заключаться в активном инфоконтакте с машинами техносферы, в том числе с использованием ручного труда будущего инженера — необходимо вернуть в обучение и абилитацию принцип «руки растят голову». При этом  преподаватель (тьютор) облегчает учащемуся  этот процесс, владея  инженерным мастерством на уровне профессионала техносферы.

Как уже было упомянуто, расходящиеся траектории содержания академического ЕЕ и инновационной практики ИДИ, приведшие к феномену EG, стали явно прослеживаться с середины ХХ века. Однако эта тема не педалировалась топ­менеджерами техносферы и системы ЕЕ по одной простой причине: в эти же годы началось активное внедрение компьютеров в образование. Возникла надежда, что компьютеризация ЕЕ позволит исправить все изъяны процессов и результатов в системе ЕЕ. Сегодня от этой надежды не  осталось и следа: CS занимают уже 30% учебного времени,  а «эмбриональность» молодых специалистов продолжает существовать и даже усугубляется. Сегодня очевидно, что издержки компьютеризации, ее оборотная сторона не дали в итоге сокращения EG,  не привели к заметной конвергенции  академического ЕЕ и инновационной практики ИДИ.

Первым объектом тотальной компьютеризации в ЕЕ стала инженерная графика (ИГр). Необъятные площади чертежных залов  освобождались от бесчисленных кульманов — символов инженерного искусства ХХ века, которые уступали место компьютерам, терминалам, плоттерам, принтерам, ксероксам. Однако, когда эйфория прошла и наступило время трезвого анализа и оценки результатов инноваций, произошел откат, в ходе которого в ряде университетов в 90­х годах были восстановлены чертежные  залы с кульманами.

Какова причина столь гигантской амплитуды маятника компьютеризации? Без основательного владения ИГр нет инженера. В условиях глобализации возрастает роль ИГр как международного языка общения не только между людьми, но и в инфоконтакте «человек — компьютер». Владение ИГр означает наличие ЗУН, трансформированных в ПК для практической деятельности в ИДИ. Уровень мастерства в ИГр должен обеспечить выполнение важнейших инженерных функций:

• пространственное мышление, то есть профессиональное владение ментальным инструментарием в целях создания виртуальной модели детали, машины, системы или иного объекта в техносфере;
• мастерство в воспроизведении указанных виртуальных инженерных продуктов на твердых носителях с помощью ручных или машинных инструментов;
• мастерство в чтении и понимании чертежей других исполнителей.

Модули системы ЕЕ всегда и везде сталкиваются с феноменом существенно различающегося уровня базовой подготовки по черчению у поступающих на инженерные специальности. Поэтому задача подтягивания и выравнивания ЗУН стоит на первом месте в дидактике ИГр. Для этой цели выделяется большой объем учебного времени, главным образом для практических и самостоятельных занятий, в следующих дисциплинах:

• техническое рисование (скицирование);
• начертательная геометрия;
• проекционное черчение;
• техническое черчение;
• стандарты ИГр. 

В такой последовательности  дисциплин  обеспечивается нарастание инженерной составляющей ИГр вплоть до уровня профессионального мастерства ЗУН и ПК.

Во всех учебных проектах, дипломных проектах и работах  неукоснительно выдерживались жесткие стандартные требования  к качеству выполняемых чертежей. Специальные кафедры инженерной графики являлись обязательными в структуре инженерных факультетов; большинство членов этих академических подразделений имели инженерное образование и немалый опыт профессиональной практической работы в техносфере.

Дидактические и технологические приемы, накопленные системой ЕЕ в овладении ИГр, обеспечивали учащемуся достаточно высокий уровень мастерства в ИГр. При этом в практике обучения неукоснительно соблюдались два базовых принципа:

• «руки растят голову» —  все упражнения выполнялись на бумаге  с помощью традиционных ручных инструментов методом многократной итерации посредством ластика;
• преподаватель (тьютор) владел высоким уровнем мастерства, являлся носителем эмпирических и эвристических решений, элегантных прототипов  во всем спектре ИГр — даже после 20­й итерации он мог найти ошибки в чертеже. Поэтому именно в контакте «учащийся — тьютор» в ИГр происходила передача ЗУН, трансформируемых затем в ментальную машину, тезаурус, инженерное мастерство, skills [8].

Таким образом, традиционная дидактика обучения ИГр  создавала надежный фундамент для продвижения учащегося по маршруту самостоятельной разработки алгоритма решения поставленной ему задачи.

С появлением программ компьютерной графики возникла волна компьютерной  эйфории, под воздействием которой описанная структура обучения ИГр была разрушена:

• резко уменьшилось  учебное время на ИГр;
• вместо указанного выше перечня дисциплин ИГр была введена компьютерная графика; упомянутый выше принцип наращивания инженерной составляющей практически был утерян в дидактике ИГр;
• учащийся за ненадобностью  выбросил чертежные инструменты — ведь теперь рисует  автомат: принтер, плоттер, ксерокс, факс. Канал «руки растят голову» перестал работать; учащийся потерял возможность обучиться хотя бы минимальным навыкам ручного черчения. Задача начертить простейший эскиз на листке бумаги без помощи гаджетов превратилась в непреодолимую проблему. Чаще всего такая коллизия заканчивается конфузом молодого специалиста и насмешками рабочего;
• алгоритмы решения задач ИГр заложены в ПО заранее, учащийся не проходит  маршрут поиска алгоритма — этот инструмент абилитации тоже перестал работать.

Но основной минус прихода компьютерной графики заключается в том, что из процесса обучения исчез тьютор — главный носитель skills ИГр, главный редактор и корректор. Системы компьютерной графики даже сегодня, сорок лет спустя после начала активного внедрения компьютеров, обладают крайне низким уровнем такого важнейшего параметра, как foolproof — дуракоустойчивость. А ведь процесс обучения на первых порах — сплошная цепь ошибок и тупиков. Именно поэтому вышеназванный параметр здесь очень важен — ведь в сохранении высокой планки этого параметра заключалась главная роль тьютора. А сегодня молодые специалисты, отличники и перфекционисты в овладении  компьютерной графикой, но не прошедшие этапа «работы над ошибками» под руководством тьютора, придя на свое первое место работы, выдают такие рабочие или сборочные чертежи, что их впору отправлять на выставку компьютерного юмора.

По этому поводу можно услышать немало упреков в адрес разработчиков систем компьютерной графики. В них, конечно, много справедливого, и следует сократить дистанцию между разработчиками софтвера и профессионалами — пользователями этих систем в техносфере.  Однако не следует питать иллюзий  по поводу эффективности этой конвергенции: отсутствие теоретической, аналитической базы в подавляющем большинстве современных технологий — вот основная причина низкого уровня параметра foolproof в системах CAD/CAM. Необходимо продвижение по пути создания экспертных систем, в которых собраны банки данных эвристических элегантных решений, накопленных ИДИ за несколько столетий успешной деятельности  инженеров. На базе таких экспертных систем могут быть созданы подсистемы foolproof  в ПО CAD/CAM, помогающие студенту в «работе над ошибками» при изучении ИГр.

Ситуация, вызванная компьютерной графикой, сделала невозможным решение задачи подтягивания и выравнивания «на входе» планки ЗУН учащихся в изучении ИГр. Студент с самого начала изучения ИГр остается один на один с недружественным софтвером системы CAD. Закономерным итогом такой ситуации стала резкая дифференциация учащихся по овладению ИГр: студенты с достаточным уровнем ЗУН на входе с удовольствием овладевают всеми возможностями и эффектами компьютерной графики; студенты с низким входным уровнем ЗУН после нескольких неудачных попыток теряют интерес к занятиям и остаются фактически без багажа ИГр.

Уровень ПК  молодого специалиста в области ИГр первым проверяется практикой ИДИ в техносфере. По этому уровню работодатели  оценивают степень «эмбриональности» молодого специалиста и уровень EG в его альма­матер. Поэтому борьба, атака на EG должна начинаться во втузе именно с ревизии и оптимизации всего комплекса проблем ИГр:

• резкое увеличение количества учебных часов на ИГр;
• введение  категорического запрета на сокращение  часов ИГр по любым мотивам;
• резерв учебного времени для этих целей должен быть получен в результате смены концепции ФЕЕ на ПЕЕ;
• в качестве обязательных пропедевтических практикумов должны быть введены техническое рисование, эскизирование, ручное черчение;
• тьютор высшей квалификации должен быть возвращен в учебный процесс ИГр как основной транслятор эмпирических и эвристических решений в искусстве ИГр;
• инфоконтакт «студент — система CAD» должен вводиться постепенно, по мере  создания тьютором у студента минимального багажа ЗУНПК по ИГр;
• учебные системы CAD/CAM  должны быть оснащены подсистемой  «Создай свой  алгоритм решения задания»;
• учебные системы CAD/CAM должны существенно повысить уровень параметра foolproof во всех своих прикладных программах.

В XXI веке массовый возврат чертежных залов с кульманами едва ли возможен. Однако должен быть проведен глубокий анализ всех плюсов и минусов, которые принесла с собой компьютеризация инженерной графики.  При этом лучшие достижения дидактики и технологии в преподавании инженерной графики должны быть восстановлены в системе ЕЕ.  

Литература

1. Беляев А., Лившиц В. Educational Gap: технологическое образование на пороге XXI века. Томск: Изд­во STT, 2003. 503 c.
2. http:// www.cdio.org.
3. Crawley, E.F., Malmqvist, J., Lucas, W.A., Brodeur, D.R.  The CDIO Syllabus v2.0 An Updated Statement of Goals for Engineering Education // Proceedings of the 7th International CDIO Conference,  Technical University of Denmark, Copenhagen, June 20­23, 2011.
4. Crawley, E.F., Malmqvist, J., Ostlund, S., Brodeur, D.R. Rethinking Engineering Education: The CDIO Approach.  New York: Springer­Verlag,  2007.
5. Лившиц  В.  Новые горизонты инноваций в инженерном образовании: реинжиниринг CDIO // Аккредитация в образовании. 2012. № 54. 
6. Лившиц В. Синдром виртуализации в модернизации инженерного образования //Аккредитация в образовании. 2012. № 55. 
7. Лившиц В. Инновации в инженерном образовании: противостояние двух концепций обучения // Аккредитация в образовании. 2011. № 47. С. 30­33. 
8. Лившиц В. Проблема эпистемологического тезауруса в модернизации инженерного oбразования // Аккредитация  в образовании. 2012. № 53.

САПР и графика 1`2012