Интеллектуальные компьютерные системы как инструмент развития способностей студентов к выполнению творческих инженерно-графических работ

EDN: UCRHEM

Введение. Во все времена прогрессивное педагогическое сообщество стремилось использовать инновационные технологии в своей деятельности. В настоящее время такими помощниками стали персональные компьютеры, оснащенные различными системами с искусственным интеллектом. Сам термин «искусственный интеллект» был предложен в 1955 г. информатиком Джоном Маккартни [К. Пиковер, с. 5] На протяжении всей истории человечества людей интересовали тайны разума, природа мышления и возможность создания искусственных существ с совершенным интеллектом, машин с разумным поведением. В настоящей статье под термином «интеллектуальные компьютерные системы»

(ИКС), будем понимать все цифровые информационные средства, изобретаемые человеком для облегчения и интенсификации собственной интеллектуальной деятельности.

В статье представлен педагогический опыт обучения студентов инженерно-графическим дисциплинам на базе систем автоматизированного проектирования, предназначенных для взаимодействия человека и машины в техническом творчестве. Системы автоматизированного проектирования обычно используются для специализированных решений по моделированию изделий сложной формы и создания алгоритмов для их обработки на станках с числовым программным управлением, контроля точности и реверсивного инжиниринга.

История вопроса. В настоящее время прослеживается формирование тесной связи развития общества с информационно-коммуникационными технологиями. Вся система образования, в том числе инженерного, также является объектом цифровизации и информатизации и предметом исследования в педагогическом сообществе. Этой проблеме посвящены работы Г.Ф. Шафранова-Куцева [26], И.А. Колесниковой [10], A. Kuklska-Hulme [11], Г.Л. Тульчинского [22], И. Алпатовой [1], А.К. Болотовой, В.П. Зинченко, А.Н. Поддьяковой [3], В.О. Фабера [23], Г.М. Коджаспирова [8], М.В. Булановой-Топорковой [4].

Постоянно растущие требования к уровню подготовки студентов – будущих инженеров – диктуют необходимость поиска новых подходов к организации образовательного процесса в высшей технической школе, способствующей формированию инженерно-графических компетенций студентов. Одним из таких подходов в современной системе образования является технологический подход, средством реализации которого служат интеллектуальные компьютерные системы.

Это связано с тем, что, во-первых, в процессе обучения будущие инженеры должны работать с количественно определенными математическими и компьютерными моделями изучаемых объектов, основанными на закономерностях естественнонаучных и математических дисциплин. Во-вторых, в подавляющем большинстве случаев, им приходится оперировать трехмерными объектами и соответствующими геометрическими моделями, включая их компьютерное представление. В-третьих, подготовка инженера предусматривает выполнение практических и лабораторных работ на реальном, часто весьма дорогостоящем оборудовании, включающем в себя средства автоматизации и информатизации.

В высшей технической школе постоянно идет процесс обеспечения и обновления материально-технической базы средствами вычислительной техники. Оперативность, точность, надежность передачи и обработки информации в инженерном образовании делают учебный процесс более эффективным и создают условия для творческой деятельности. Приступая к освоению ИКС, студенты оказываются в ситуации неопределенности, им требуются большие волевые и интеллектуальные усилия. Как показывает практика, без поддержки со стороны преподавателя освоить новые неизвестные компьютерные среды на достаточно профессиональном уровне в состоянии не более 10% студентов, а достичь творческого уровня могут максимум 2%. Следовательно, для того чтобы с учебной программой на профессиональном и творческом уровнях справлялось большинство студентов, необходимо внедрение соответствующих педагогических технологий на базе ИКС.

Методы исследования. Проведенное исследование базируется на педагогических и психологических теориях по проблемам организации профессионального образования, на идеях теории деятельности об активности человека в творческом процессе (деятельностный подход) А.Н. Леонтьева [13], (субъектно-деятельностный подход) С.Л. Рубинштейна [18]; на теории объяснительно-иллюстративного (сообщающего) обучения Я.А. Коменского, [9], Г.К. Селевко [19], программированного обучения Н.Ф. Талызиной [20], проблемно-эвристического обучения А.В. Хуторского [25].

Объектом исследования в нашей работе был выбран педагогический процесс обучения студентов дисциплине «Инженерная и компьютерная графика» (ИКГ), предметом исследования – технология формирования творческих способностей студентов при изучении ИКГ, реализуемых в процессе подготовки студенческих научно-исследовательских работ на базе ИКС.

На основании объекта и предмета исследования были определены следующие задачи:

• •    Выявить совокупность компетенций, необходимых студентам для осуществления творческой инженерно-графической деятельности на базе ИКС.

• •    Разработать педагогическую технологию формирования у студентов способностей к реализации творческих инженерно-графических работ (ТИГР) в процессе освоения ИКС.

• •    Выполнить педагогическую апробацию технологии формирования у студентов способностей к реализации ТИГР в процессе освоения ИКС.

В результате выполнения поставленных задач, будет достигнута цель по внедрению в педагогический процесс технологии формирования творческих инженерно-графических способностей студентов в процессе изучения курса инженерной и компьютерной графики и реализации их в научно-исследовательской деятельности.

В качестве материалов исследования использовались творческие проекты студентов, выполняемые в процессе аудиторной, внеаудиторной контактной (дистанционной) с преподавателем и автономной самостоятельной деятельности; научные доклады студентов на конференциях и конкурсах. В процессе исследования осуществлен сбор эмпирических данных о педагогическом процессе с применением ИКС. Была проанализирована и обобщена информация из практики работы педагогов: сведения о результатах обучения, о применяемых методах и средствах организации педагогического процесса, об использовании педагогических и технологических инноваций, отчеты кафедр о проделанной научноисследовательской работе со студентами.

Результаты исследования . Главной проблемой развития способностей студентов к выполнению творческих инженерно-графических работ на базе ИКС является отсутствие соответствующих методов и технологий, обеспечивающих результативность процесса обучения. При создании отвечающих потребностям развития способностей к выполнению ТИГР следует учитывать, что студенты в учебной деятельности из пассивных получателей информации, становятся активными участниками образовательного процесса, формируют свое собственное понимание предметного содержания, используют творческий подход к решению поставленных задач, имеют возможность работать с научными материалами, ставить исследовательские эксперименты.

Инновационная модель обучения основана на следующих положениях:

• >    в центре технологии обучения - студенты;

• >    в основе учебной деятельности - сотрудничество;

• >    студенты играют активную роль в обучении;

• >    суть технологии - развитие творческих способностей к решению научно-технических задач на базе ИКС.

В современной педагогической деятельности используются три относительно обособленных и отличающихся рядом признаков вида обучения:

• ^    объяснительно-иллюстративное (трансляционное);

• ^    программированное (ПО) и резвившееся на его основе, компьютеризированное обучение (КО), позволяющее сделать процесс обучения технологичным;

• ^    проблемно-эвристическое, позволяющее действовать в ситуации неопределенности с применением ИКС.

Также широко используются различные сочетания названных видов, что позволяет сделать процесс обучения комбинированным и гибким.

Опыт показывает, что интеграция таких методических решений с целенаправленно отобранными компьютерными обучающими программами позволяют интенсифицировать процесс обучения без ущерба для качества усвоения учебного материала, а также сделать процесс обучения творческим. Именно последнее свойство – творчество в процессе обучения – принято в качестве основного аргумента в пользу создания компьютеризированной обучающей среды при изучении различных дисциплин, в частности ИГК.

Подчеркнем, то для проектирования образовательного процесса на основе ИКС необходимо внедрение в учебный процесс методов обучения ориентированных на деятельностный подход. При реализации деятельностного подхода выделяют: проблемно-деятельностное обучение (перед студентами проводится последовательная постановка проблем, разрешая которые, они усваивают не только зна-ниевую компоненту будущей научной и профессиональной деятельности, но и навыки её осуществления); модульное обучение (студенты самостоятельно работают по индивидуальной учебной программе в виде законченного содержательного модуля); контекстное обучение (моделирование предметного и социального содержания будущей профессиональной деятельности); методы активного обучения

(самостоятельная познавательная деятельность, направленная на поиск, обработку, усвоение учебной информации).

Активные методы обучения предполагают использование такой системы, которая направлена, главным образом, не на изложение преподавателем готовых знаний и их воспроизведение, а на самостоятельное овладение студентами учебной информацией в процессе активной познавательно деятельности. Среди активных методов обучения выделяются неимитационные методы (проблемная лекция, круглый стол, лекция-конференция, программированное обучение, выездные занятия с тематической дискуссией, олимпиада, эвристическая беседа, практические групповые и индивидуальные упражнения, научные конференции); неигровые имитационные методы (ситуационные решения, решения отдельных задач, обсуждение разработанных вариантов, конкурс практических работ с обсуждением, кейс-метод, моделирование производственных процессов, обсуждение специальных видеозаписей) и игровые имитационные методы (мозговой штурм, деловая игра, ролевая игра, игровое проектирование, круглый стол, дискуссия).

Т.С. Панина и Л.Н. Вавилова отмечают: «Современная ориентация образования на формирование компетенций как готовности и способности человека к деятельности и общению предполагает создание дидактических и психологических условия, в которых обучающийся может проявить не только интеллектуальную и познавательную активность, но и личностную социальную позицию, свою индивидуальность, выразить себя как субъект обучения» [Панина Т.С., Вавилова Л.Н., с. 5].

Г.В. Лаврентьев указывает на необходимость «в эпоху информационной насыщенности» [Лаврентьев Г.В., с. 144] обобщить и систематизировать опыт визуализации учебной информации для оперативного использования в учебном процессе.

Компьютерное обучение, оснащенное специальными обучающими программами, можно эффективно использовать для решения почти всех дидактических задач - подача информации, управление процессом обучения, контроль и коррекция результатов, выполнение тренировочных упражнений, накопление данных о развитии учебного процесса и т. п.

А.А. Вербицкий утверждает: «...назрела необходимость перехода к практико-ориентированному типу непрерывного образования с опорой на фундаментальное содержание наук и на неисчерпаемые возможности человека как субъекта общего и профессионального развития, в том числе посредством использования огромных возможностей цифровых средств обучения» [Вербицкий А.А., с. 1].

М.Ф. Галиханов и Г.Ф. Хасанова, говоря о преподавании в онлайн формате, к перечню необходимых преподавателю компетенций относят «готовность к разработке содержания и методическому проектированию онлайн-курсов с использованием различных форм цифрового контента» [Галиханов М.Ф., Хасанова Г.Ф., с. 60].

О повышении конкурентоспособности вузов благодаря информатизации говориться и в работе Н.Н. Федяковой: «Одним из инструментов эффективного управления вузом является информатизация научной и учебной деятельности» [Федякова Н.Н., с. 199]

Дидактические возможности ИКС связаны с реализацией предпосылок интенсификации образовательного процесса, создания авторских технологий и методик, направленных на развитие способностей обучаемого самостоятельно решать учебные задачи и выполнять задания творческого уровня. Результатами интенсификации за счет ИКС являются: обеспечение быстроты получения обратной связи между обучающимся и компьютерными средствами, визуализация изучаемых объектов и информации, доступность моделирования учебного материала, возможность поиска, хранения, обработки и передачи информации, обработка и экспериментальная проверка проведенного учебного исследования.

В процессе участия студентов в научно-исследовательской работе кафедр на базе ИКС с первого курса формируются компетенции, необходимые в дальнейшей научной работе:

Благодаря использованию вышеперечисленных методов на кафедре инженерной графики СамГТУ, достигаются стабильно высокие результаты в студенческой научно-исследовательской работе (НИРС). На диаграмме (рис. 1), представлены сравнительные результаты НИРС за последние 5 лет:

• 1    ряд – общее количество студентов, участвующих в НИРС;

• 2    ряд – студенты экспериментальной группы, участвующие в НИРС;

• 3    ряд – студенты контрольной группы, участвующие в НИРС.

Рис. 1. Сравнительная диаграмма (Comparison chart)

В большинстве выполняемых студенческих НИР, присутствует разнообразие тем, способов исследования и подходов к презентации результатов своего труда, многие из которых опубликованы в сборниках тезисов вузовских [Белоногова С.С., с. 65], региональных естественно-научных [Макаров И.С., с. 409] и гуманитарных [Гончар А.Д., с. 324] конференций. Применение ИКС позволяет студентам уже с первых лет обучения в вузе осуществить переход от репродуктивной к продуктивной деятельности и от продуктивной к творческой.

Обеспечение процесса развития способностей студентов к выполнению ТИГР зависит от дидактической готовности преподавателя к использованию в образовательном процессе компьютерных технологий, которую рассматриваем как способность применять информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) в профессиональной деятельности, осознавать их значимость для стратегии обучения и владеть навыками организации обучения с их использованием. Е.Б. Манузина в проведенном исследовании отмечает, что использование электронных образовательных ресурсов «значительно расширяют образовательное пространство в рамках выбранного студентами профиля подготовки» [Манузина Е.Б., с. 10]. Я.В. Топольник перспективным считает «дальнейшее изучение особенностей формирования готовности будущих преподавателей к использованию информационно-коммуникационных технологий в профессиональной деятельности в зависимости от выбранной специальности» [Топольник Я.В., с. 203]. Проведение групповых занятий, конференций, общение в чатах позволяет увеличить скорость получения информации, передачи заданий, осуществлять своевременно консуль- тации и разъяснения по возникшим проблемным вопросам. Освоение современных подходов к организации процесса обучения обеспечивается повышением квалификации не только в очной, но и в online форме.

Нами проведена оценка готовности преподавателя к использованию в образовательном процессе компьютерных технологий в Самарском государственном институте культуры (СГИК) и Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по следующим вопросам:

• •    Часто ли вы используете цифровые возможности для общения со студентами по учебным заданиям?

• •    Имеете ли вы собственные цифровые ресурсы и модификации цифровых учебных материалов?

• •    Используете ли вы включение студентов в групповую работу с использованием интернета, в том числе онлайн-сервисов для совместной проектной деятельности?

• •    Осуществляете ли вы обмен идеями и материалами с коллегами из других образовательных организаций, в том числе посредством облачных систем?

• •    Проходите ли вы повышение квалификации посредством онлайн-обучения?

В опросе участвовало 52 преподавателя: 21 респондентов СГИК и 31 – СамГТУ. Результаты опроса представлены в таблице 1.

Таб. 1. Результаты опроса готовности преподавателя к использованию в образовательном процессе компьютерных технологий (Results of a survey on teacher readiness to use computer technologies in the educational process)

№ пп	Вопросы	Преподаватели СГИК	Преподаватели СамГТУ
1.	Часто ли вы используете цифровые возможности для общения со студентами по учебным заданиям?	95,24%	96,77%
2.	Имеете ли вы собственные цифровые ресурсы и модификации цифровых учебных материалов?	85,7%	93,54%
3.	Используете ли вы включение студентов в групповую работу с использованием интернета, в том числе онлайн-сервисов для совместной проектной деятельности?	100%	100%
4.	Осуществляете ли вы обмен идеями и материалами с коллегами из других образовательных организаций, в том числе посредством облачных систем?	80,95%	87%
5.	Проходите ли вы повышение квалификации посредством онлайн-обучения?	100%	100%

Полученные результаты указывают на то, что современные преподаватели высших учебных заведений обладают достаточной готовностью к использованию в образовательном процессе компьютерных технологий.

Выводы. Проведённое исследование позволяет нам сделать вывод о том, что ИКС является эффективным технологическим инструментом, позволяющим опытному преподавателю значительно повысить успеваемость студентов, способствует развитию их творческих способностей, дает опыт деятельности в ситуации неопределенности, выбора алгоритма решения задач в нестандартных ситуациях, подготавливая их тем самым к реальным жизненным условиям, когда нет заранее расписанного алгоритма для принятия решений, позволяет студентам почувствовать себя первооткрывателями, прививает интерес к творческой инженерно-графической деятельности. Используя ИКС, преподаватель оперативно осуществляет подбор заданий, развивающих творческие способности студентов, повышая тем самым их мотивацию, формируя интеллектуальный потенциал обучающихся и обогащая их опыт освоения информационных технологий. Качество и эффективность образовательного процесса зависят не только от использования современных методов и методик обучения, но и от уникальных, с педагогической точки зрения, возможностей информационных и цифровых технологий. Реализация продуктивной деятельности студентов на современном уровне возможна только при наличии в методическом обеспечении преподавателя разработанных дидактических материалов в цифровом формате. Перекладывая рутинную работу на ИКС, преподаватель может посвятить себя главной миссии – оказание моральной и интеллектуальной помощи студентам в трудных ситуациях.