О методологии обучения инженерным расчетам в техническом вузе

Modeling, engineering analysis, pedagogical objectives, scientific methodology, learning methodology. The article presents a methodological research of the process of teaching engineering analysis in a technical college. The research is based on the following author^,s thesis, namely the cognitive-creative work of both a highly qualified engineer and a research scientist contains mostly similar steps. In both cases, six milestones can be identified that implement one or another element of the scientific method. The article formulates pedagogical objectives on the basis of the done methodological research. The analysis of the literature shows that such a methodological research of setting pedagogical objectives in teaching engineering analysis has not been done before.

1Этапы решения инженернотехнической задачи. Обучение в техническом вузе будущих бакалавров должно ориентироваться не только на стандартную, во многом рутинную, работу инженера-специалиста, но и на работу инженера высокой квалификации, зачастую требующую творческого подхода. Это может быть, например, расчет или проектирование нового инженерного объекта или расчет новой компоновки узлов конструкции. В этом случае может потребоваться прохож- дение всех этапов решения задачи – от конкрети- зации научной и одновременно инженерной об- ласти, в рамках которой нужно формулировать задачу и решать ее, до получения математической модели объекта расчета. Выполнение этих этапов, возможно, в упрощенной учебной форме должно осваиваться студентами – будущими специалистами. Поэтому далее будут рассмотрены все этапы решения инженерной задачи.

Основанием для формулировки этапов инженерного расчета (проектирования) будет следующий тезис: этапы решения сложной инженерной задачи аналогичны этапам научного исследования. Обоснуем это утверждение. Процесс расчета некоторого объекта в общем случае является когнитивно-творческим. Когнитивным – потому что он может требовать освоения новых технологий, новых методов моделирования и расчета. Творческим – потому что перед инженером может встать задача расчета или проектирования нового для него объекта.

Между тем когнитивно-творческий подход ха- рактерен и для ученого, приступающего к изу чению нового объекта. При этом этапы научно го исследования диктуются принципами науч ной методологии [Научный метод, 1986; Моде лирование…, 1965], а именно общая схема науч ного исследования включает в себя: выбор объ екта исследования в рамках некоторой науч

ВЕСТНИК

ной области, системный подход при описании объекта [Косьмин, 2006; Князев, 2010], выбор упрощающего описания (выбор модели объекта, формализация модели), проверка модели на непротиворечивость, построение математической модели объекта, применение к модели метода максимального упрощения.

Итак, далее мы будем исходить из того, что когнитивно-творческая работа инженера высокой квалификации содержит в основном те же этапы, что и научное исследование. Эти этапы в случае инженерных задач могут быть сформулированы следующим образом.

Во-первых, выбирается предметная область (ПО). Этот термин будет применяться в узком смысле – как область инженерного и научного знания, рассматривающая ограниченный класс объектов, имеющих определенный набор свойств и параметров. Приведем пример ПО, имеющий большое прикладное значение: механика твердых тел, движущихся в сплошной среде. В эту предметную область входят параметры среды, параметры и свойства тел, которые в ней движутся, уравнения движения и законы взаимодействия среды и тел.

Во-вторых, в рамках заданной ПО конкретизируется объект, свойства и поведение которого нужно рассчитать (основной объект). Не менее важно, что на этом же этапе конкретизируются (отбираются из ПО) «другие» объекты (предметы и явления) – все те, которые могут влиять на объект расчета, на его свойства и поведение. В научной методологии такой подход к рассмотрению основного объекта называется системным .

Третий этап – этап построения модели объекта. На этом этапе постановка задачи по возможности упрощается. Некоторые свойства основного объекта перестают учитываться как несущественные. Кроме того, перестает учитываться влияние некоторых «других» объектов.

Четвертый этап – построение математической модели объекта расчета. На этом этапе желательно получить такое математическое описание объекта, к которому применимы численные методы. Тогда решение задачи будет иметь вид таблиц или графиков.

Пятым этапом может быть анализ модели или математической модели с помощью метода максимального упрощения объекта. Суть метода в том, что в рамках той же задачи расчета рассматривается ситуация, когда можно не учитывать некоторые свойства объекта. Причем те свойства, которые на третьем этапе были объявлены существенными. Если при этом получается объект, по-прежнему принадлежащий той же ПО, то свойства объекта, которыми не пренебрег а ют , являются для объекта наиболее существенными . Иногда метод максимального упрощения реализуется как метод асимптотического анализа, когда некоторые параметры объекта объявляются бесконечно большими величинами, а некоторые другие параметры объявляются равными нулю. Например, при проектировании конструкций применяется асимптотический анализ прогиба ферм. Другой пример – асимптотический анализ устойчивости оболочек и тонкостенных конструкций.

Отметим, что метод максимального упрощения объекта может применяться после третьего этапа построения модели для получения математической модели объекта.

Шестой этап инженерного расчета, или проектирования, очевиден. Это выполнение расчетов на основе модели объекта или на основе его математической модели.

В приведенной схеме решения инженерной задачи основным методом является метод моделирования объекта расчета (этапы решения со второго по пятый). Это согласуется с тезисом: « Моделирование – основной технологический процесс проектной деятельнос ти», обоснованным в [Шейнбаум, 2007].

Еще раз отметим, что на занятиях в техническом вузе реализация этапов решения инженерной задачи может происходить на разных уровнях: от использования только некоторого набора конкретных приемов и алгоритмов (уровень студентов на начальном этапе обучения) до использования некоторых принципов научной методологии под руководством преподавателя.

• 2.    Методологический принцип выбора методики обучения студентов инженерным

расчетам. Под методологией в области обучения в вузе будем понимать общие принципы постановки целей учебного процесса. Один из таких принципов будет обоснован и сформулирован ниже. Предварительно рассмотрим проблемы, которые можно и нужно решать с помощью методологического анализа учебного процесса.

Существует достаточно много педагогической литературы, посвященной проведению практических занятий по инженерным расчетам в различных предметных областях. В большинстве случаев предполагается проведение занятий следующим образом: студенты должны выполнять расчеты, используя готовую математическую модель. Для выполнения заданий студент должен знать набор алгоритмов, достаточный для решения некоторых типичных задач, и должен владеть соответствующими подпрограммами вычислительных систем (то есть систем MathCAD, Math Lab и так далее). Подготавливает ли это студента к решению практических задач, которые он должен будет решать как специалист? Или создает у него иллюзию, что для решения любой инженерной задачи можно найти соответствующее программное средство? Во всяком случае, такая методика обучения не подготавливает будущего инженера для когнитивно-творческой работы, которая, как показано выше, зачастую требуется от специалиста. Такая оценка современного технического образования дается в ряде работ по педагогике высшей школы. Отмечается, что обучение будущих инженеров не нацелено на формирование профессионально-творческих способностей (ПТС). Между тем именно благодаря ПТС выпускник может развиваться как инженер, так как он будет обладать способностью к «профессиональному саморазвитию и самосовершенствованию» [Михайлова, 2016]. В этой работе предложена методика проведения занятий, обеспечивающая развитие у студентов ПТС. Кроме того, автор делает обзор методик, способствующих достижению этой цели. Однако здесь возникает следующая проблема, являющаяся ключевой. Как выбрать конкретную методику обучения? На основании чего сделать выбор? Оче- видно, что в основе выбора должны лежать общие педагогические принципы в области технического образования, то есть методологичес кие принципы. Отметим попытки такого рода анализа проблем высшего технического образования. Один из авторов [Морозова, 2011] приводит схему, изображающую «структуру технического мышления». Схему, которая охватывает все, связанное с мышлением, от психологии до эргономики. Но, во-первых, неясно на основании чего предлагается эта схема. Кроме того, такая «всеохватная» схема не может быть отправным пунктом методологического анализа: она уже содержит в себе все по исследуемому вопросу. Другим автором [Усова, 2012] было предложено в качестве педагогической задачи ознакомление студентов технических специальностей с элементами научного метода. Однако не был проделан соответствующий методологический анализ процесса обучения. И не были предложены пути решения этой задачи.

Прежде чем предлагать конкретные методологические установки, уточним формулировку конечной цели процесса обучения. Вместо цели формирования ПТС [Михайлова, 2016] предложим в качестве одной из главных целей высшего образования развитие у студентов когнитивнотворческих способностей. Такая формулировка основной педагогической задачи представляется более целесообразной Действительно, выпускник вуза, получив такое образование, будет иметь способности и навыки для дальнейшего саморазвития как инженера [Железовская и др., 2014; Шустов, 2010; Севостьянов, 2009]. Однако эту, весьма общую цель развития когнитивнотворческих способностей студента нужно связать с педагогической задачей рассматриваемого учебного процесса – с задачей обучения методам и приемам инженерных расчетов. Связь должна быть следующей: изучение инженерных расчетов должно способствовать развитию КТС.

Как следует из сделанного выше (п. 1) анализа, обе цели должны достигаться одновременно с ознакомлением студентов с элементами научной методологии. В основе когнитивно-творческой деятельности инженера – выпускника техниче-

ВЕСТНИК

ского вуза должно лежать знание (в том или ином объеме) научного метода, то есть знание приемов и способов получения и освоения новой информации, в том числе профессионально важной. Поэтому при изучении этапов инженерного расчета (п. 1) студентам полезно осознать, что эти этапы фактически реализуют тот или иной элемент научного метода. И следовательно, научный метод необходимо применять при решении любой сложной инженерной задачи.

Как следствие сделанного методологического анализа сформулируем методологический принцип, который предлагается в качестве основы для выбора методики проведения занятий по инженерным расчетам. При проведении занятий должны комплексно решаться следующие основные педагогические задачи:

• – приобретение студентами начальных навыков использования элементов научной методологии;

  – усвоение студентами приемов моделирования объекта расчета;

  – развитие способности студентов к приобретению новых знаний в конкретных предметных областях.

Ознакомление студентов технических специальностей с элементами научного метода было предложено в качестве педагогической цели нами ранее [Рогачевский, Шулунова, 2014]. Была предложена (и подробно разобрана) соответствующая методика проведения занятий.

В заключение подчеркнем, что проведенный методологический анализ проблемы обучения инженерным расчетам приводит к выводу: сформулированные выше основные педагогические цели должны достигаться комплексно. Например, изучение приемов моделирования и углубление знаний в конкретной ПО должны приводить к освоению принципа системности. И обратно: студенты должны осознать эффективность элементов научного метода при решении задачи моделирования даже при использовании их на начальном уровне. Таким образом, встает задача разработки методик обучения, которые обеспечивают комплексное достижение основных педагогических целей.