Развитие лабораторной базы инженерного образования

Инженерное дело традиционно развивалось посредством использования новых материалов, преобразования энергии и развития новых каналов передачи информации. Цель инженерного образования как в средневековой Европе, так и сегодня, состоит в подготовке студентов к инженерной практике и, соответственно, к работе с материалами и вещественными артефактами, подготовке к экспериментальным и производственным процессам. С первых дней существования инженерного образования в кампусах развивались учебные лаборатории, которые являлись неотъемлемой составляющей реализации программ бакалавриата, а в некоторых случаях и программ магистратуры.

ГРНТИ 14.35.07

EDN KEPVBI

Анастасия Александровна Трифонова – референт компании «Торговля. Строительство. Технологии» (г. Санкт-Петербург).

Дарья Александровна Ипатова – редактор новостной ленты «Сбондс.РУ» (г. Санкт-Петербург).

Статья поступила в редакцию 19.12.2022.

Можно констатировать тот факт, что большая часть процессов обучения инженеров проводилась именно в лабораториях. Значимость лабораторного обучения не менялась на протяжении многих десятилетий. Большее внимание уделялось аудиторному процессу, учебным программам и методам обучения, но относительно мало – исследовательской, экспериментальной деятельности в рамках лабораторий. К примеру, при обзоре статей, опубликованных в Journal of Engineering Education, было обнаружено, что только в 5-6% опубликованных статей фигурирует слово «лаборатория» [4, 11].

Одной из причин ограниченного использования лабораторий в развитии технологий и инструментов образовательного процесса являлось отсутствие консенсуса в определении основных целей лабораторных исследований. Многие эксперты были согласны с тем, что лаборатории должны играть немаловажную роль в образовательном процессе, однако редко фигурировали данные о том, каких целей должны достичь инженерные команды в рамках лабораторных исследований. В большинстве статей о лабораториях не указывались цели или результаты рассматриваемых курсов, хотя авторы нередко заявляли в заключении, что цели курсов были достигнутых [1, 3, 4].

Важно различать три основных типа инженерных лабораторий: опытно-конструкторские, исследовательские и учебные. Несмотря на то, что у них много общих характеристик, существуют и принципиальные различия.

Преподаватели и студенты инженерных направлений и специальностей работают в опытно-конструкторских лабораториях по двум причинам. Во-первых, им нужны экспериментальные данные, которыми они могли бы руководствоваться при проектировании и разработке продукта. Результаты лабораторных испытаний используются для получения ответа на конкретные вопросы о природе данных с тем, чтобы продолжить процесс проектирования и разработки. Вторая причина заключается в необходимости ответа на вопрос – работает ли конструкция, механизм, оборудование, образец или стенд так, как задумано инженерной командой. Измерения производительности оборудования или образца сравниваются с базовыми спецификациями, а результаты сравнений либо демонстрируют соответствие, либо указывают на необходимость внесения изменений.

В то время как опытно-конструкторские лаборатории предназначены для ответа на конкретные вопросы работы оборудования, исследовательские лаборатории используются для развития представительной базы знаний посредством обобщения и систематизации результатов экспериментов, мониторинга и наблюдений. Продуктивность исследовательской лаборатории, как правило, является дополнением к процессам формирования общего знания о природе, окружающем мире, будь то естественнонаучное знание или созданные исследователями представления.

Часто в рамках учебного процесса студенты используют лабораторию не для того, чтобы извлечь некоторый объем данных, необходимых для проектирования образца, оценки нового устройства или получения новых знаний об окружающем мире. Студенты следуют в учебную лабораторию с тем, чтобы получить навыки практикующих инженеров. Данные навыки должны быть определены с помощью тщательно разработанных целей обучения.

За последние два десятилетия лабораторное обучение усложнилось и модернизировалось, в том числе и в результате появления цифровых технологий и программ дистанционного обучения, например в Интернет-среде. Цифровизация открыла новые возможности в сфере применения лабораторных технологий и практик, включая web-моделирование, автоматизированный сбор данных, дистанционное управление лабораторным оборудованием и приборной базой, а также быстрый анализ и представление экспериментальных данных. Реальность дистанционного обучения заставила профессоров, преподавателей задуматься и перейти к обсуждению учебных лабораторий будущего – не только учебных, но и исследовательских, и опытно-конструкторских. Как результат, данные дискуссии привели к новому пониманию значимости лабораторий и поставили новые задачи перед инженерными педагогами, поскольку именно они разрабатывают систему образования для следующего поколения инженеров, например, представители IGIP – International society of engineering pedagogy [2, 3].

Несмотря на то, что в последние годы лабораторным работам и исследованиям не уделялось должного внимания, несколько значимых факторов, фактов и событий способствовали популяризации лабораторных процессов и лабораторной базы в образовательных целях – дискуссия относительно исторической роли инженерных лабораторий, запрос на постановку целей лабораторного обучения, изучение процессов моделирования и развитие дистанционного обучения.

Роль инженерных лабораторий

Инженерное дело всегда было сродни функции ремесленника, для которого основная цель – не описание, не исследование, а созидание. До создания инженерных школ инженерное дело преподавалось в рамках образовательных программ, смоделированных в соответствии с требованиями британской образовательной системы, определившей приоритет практикоориентированных программ. Самые первые инженеры должны были проектировать и создавать разработки и, соответственно, учиться на практике. Инженерное образование реализовывалось как в лаборатории, так и в аудитории. Однако с момента возникновения инженерного образования обострялось противоречие между значимостью теории и практики. В первые десятилетия развития инженерного образования основное внимание уделялось практической части подготовки инженерных кадров.

Развитие научного подхода в дальнейшем потребовало развития как лекционной составляющей, так и семинарских занятий, на которых студенты могли адаптировать свои знания в рамках практико-ориентированных задач. В то время как первый тип занятий реализовывался в учебных аудиториях, последний – в специальных лабораториях. Под влиянием промышленной революции университеты и инженерные школы разработали учебные программы с фокусом на лабораторные процессы и обеспечили подготовку нового поколения молодых инженеров в рамках следующих направлений подготовки: проектирование и строительство разного рода сложных сооружений – от турбин до железных дорог, от телеграфных линий до предприятий химической промышленности. Для поддержки интегрированных лабораторных программ в кампусах были построены новые помещения и возведены объекты для размещения в них инженерных лабораторий. Лабораторные и полевые исследования составили основную часть инженерного образования.

Процесс аккредитации образовательных программ оказал влияние на инженерные лаборатории, хотя эффект часто был косвенным. Аккредитация инженерных программ в США началась с Американского института инженеров-химиков (AIChE – Аmerican Institute of Chemical Engineers). Руководствуясь необходимостью поддержки соответствующего уровня качества, AIChE создал систему оценивания факультетов химического машиностроения, а в 1925 г. опубликовал список первых четырнадцати школ, получивших аккредитацию. По результатам аккредитации и другие инженерные школы присоединились к аккредитационным программам, и в 1932 году был сформирован Совет инженеров по профессиональному развитию (ECPD – Engineers’ Council for Professional Development), предшественник сегодняшнего ABET – Accreditation Board for Engineering and Technology.

Оригинальные критерии аккредитации ECPD, опубликованные в 1933 г., включали 9 стандартов по следующим сферам применения инженерных специальностей: химическая промышленность, металлургия и горная промышленность. Критерии базировались как на качественных, так и на количественных показателях. Уровень подготовки студентов, квалификация преподавательского состава, востребованность выпускников, инновационность учебных программ, наличие институтов контроля, развитие профессионального взаимодействия, а также технический уровень лабораторной базы, эксплуатируемой в рамках программ, являлись основными критериями и объектами измерения.

При этом слово «лаборатории» не использовалось. Предполагалось, что причиной этого было то, что лаборатории были настолько важны для получения инженерной степени, что никто не мог даже подумать о преподавании инженерного курса без сопутствующей лаборатории. Инженерные программы требовали научной составляющей и большого объема математических дисциплин, лабораторные и полевые исследования оставались неотъемлемой частью учебных программ до конца Второй Мировой войны.

После Второй Мировой войны многие изобретения были сделаны учеными, а не инженерами. ASEE (American Society of Engineering Education) учредил комитет, чтобы «рекомендовать модели, которым должно следовать инженерное образование, чтобы идти в ногу с развитием науки и техники и обучать специалистов, которые способны удовлетворять потребности растущих рынков и обеспечивать развитие инженерной профессии в следующие четверть века». Отчет этого комитета, названный отчетом Гринтера (в честь его председателя), стал базисом для дальнейшего развития инженерного образования.

Из 10 рекомендуемых действий первые три требовали усиления работы в области фундаментальных наук, в том числе математики, химии и физики. Комитет определил, что ранее подготовленные инженеры были преимущественно практико-ориентированы и недостаточно подготовлены, чтобы искать ре- шения, базирующиеся на естественнонаучных направлениях. ECPD, чьи стандарты практически не изменились с 1933 г., быстро принял эти новые требования, и практические аспекты инженерии, обычно преподаваемые в лаборатории, начали уступать место академическому подходу, теоретическим дисциплинам.

В течение 1960-х годов наблюдался рост числа студентов, стремившихся получить инженерное образование. Однако к 1970-м годам финансирование инженерного образования со стороны государства во многих странах значительно сократилось. Были отменены крупные инженерные проекты, такие как развитие сверхзвукового транспорта и освоение космоса. Некоторые университеты сократили число инженерных программ или полностью закрыли свои инженерные школы. Чтобы сэкономить финансовые ресурсы за счет сокращения числа обучающихся, некоторые школы в США решили свести к минимуму число лабораторных исследований, ссылаясь на вывод отчета Гринтера о том, что теоретическое знание имеет первостепенное значение, а инженерная практика, по-видимому, утрачивает свою полезность.

Многие инженерные школы начали выпускать инженеров, которые хорошо разбирались в теории, но не могли применить свои знания на практике. В то время как инженерные образовательные программы стали больше ориентироваться на получение теоретических знаний, промышленности по-прежнему требовались специалисты, обладающие практическими навыками. Чтобы обеспечить подготовку практико-ориентированных и квалифицированных кадров, многие образовательные учреждения разработали программы подготовки технологов. Поскольку многие из технологов занимали инженерные должности, это вызывало путаницу между инженерной профессией и профессией технолога, между инженерной квалификацией и квалификацией технолога. Данное совпадение вызвало множество проблем, и ECPD, чтобы различать профессии, запустило отдельный трек по аккредитации двух- и четырехлетних программ подготовки технологов.

В 1980 г. инженерные общества претерпели серьезную реорганизацию, а ECPD стал Советом по аккредитации инженеров и технологов (ABET). ABET трансформировался в организацию, ответственную за инженерную аккредитацию и аккредитацию технологов, поддерживая отдельные треки аккредитации инженерных и технологических программ. При четко очерченных границах стало понятно, что инженеры имеют недостаточную подготовку в части лабораторных исследований. Были разработаны новые критерии, которые требовали соблюдения адекватной лабораторной практики. Планы и протоколы, которые включали развитие лабораторной и приборной базы, теперь требовались для каждой образовательной программы.

В дополнение к отчету Гринтера Американское общество инженерного образования подготовило другие отчеты по инженерному образованию и дало рекомендации по изменениям и улучшениям. Отчеты 1967 г., 1986 г. и 1987 г. подтвердили важность функционирования лабораторий в образовательных учреждениях. Конференция Engineering Foundation, состоявшаяся в 1983 г., подтвердила важность лабораторий в инженерном образовании и дала рекомендации по их укреплению. Любопытно, что в «Зеленой книге» ASEE, изданной в 1994 г., лаборатории не упоминаются, хотя есть раздел «Изменение учебной программы» в связи с изменившимися требованиями производственных систем.

В начале 1990-х гг. неудовлетворенность подходом к аккредитации, который, по мнению многих, сделал американских инженеров неконкурентоспособными в глобальном масштабе, побудил ABET провести новое исследование о том, как лучше аккредитовать инженерные программы. В результате в конце XX века ABET изменила критерии аккредитации, возложив на каждое образовательное учреждение разработку целей и задач для каждой из программ и представление ожидаемых результатов, которые можно было бы периодически оценивать. Хотя новые критерии, представленные как EC 2000, не требовали явного лабораторного обучения, различные ссылки на эксперименты, использование современных инструментов инфраструктурной и институциональной поддержки ясно доказывали тот факт, что лаборатории снова стали важной частью инженерного образования.

За последние три десятилетия произошло три события, которые усугубили проблему обеспечения качественного лабораторного опыта для инженеров: (1) растущая сложность технико-технологического уровня производственных систем и, следовательно, растущая стоимость лабораторной базы; (2) меняющаяся мотивация преподавателей и (3) интеграция цифровых технологий в учебный процесс.

По мере развития технологий разрабатывались измерительные системы с постоянно повышающимся уровнем точности. Эти системы требовали растущих затрат как на приобретение, так и на обслуживание, а также надлежащего сервис со стороны образованных технических специалистов с высоким уровнем требований к заработной плате. Бюджетов инженерных отделов было недостаточно для удовлетворения потребностей современной учебной лаборатории, особенно тех, которые требовали значительных объемов исследований и экспериментов.

По мере того, как многие программы подготовки инженеров вызывали растущий интерес к исследованиям, критерии вознаграждения преподавателей трансформировалась – от признания вклада в студенческое образование к поощрению результатов исследований. Хотя это помогло поддержать выдающиеся академические исследования, но минимизировало внимание преподавателей к разработке и развитию учебных лабораторий. Эффективная образовательная программа, включающая качественный лабораторный компонент, потребовала активизации усилий и самоотверженности лучших преподавателей.

Постепенно изменилась и система вознаграждения преподавателей при признании учебных достижений. Университеты стали решать эту проблему. Быстрая эволюция компьютерной базы и ее интеграция в лабораторный фонд помогли компенсировать некоторые затраты на дорогостоящее оборудование и улучшили работу лабораторий за счет использования компьютерной базы при сборе данных, сокращении объема данных, помощи в проектировании и моделировании.

Цели инженерных программ

За последние три десятилетия только несколько специалистов в сфере инженерного образования говорили о проблеме постановки четких целей обучения. Были представлены концепции подготовки современных инженеров, позволяющие понять несколько уровней поставленных целей и задач. Однако практически ничего не говорилось о целях обучения, связанных с инженерными лабораториями. Некоторые инженеры и ученые, которые развивали лабораторные исследования и разработки, опубликовали свои результаты, довольно точно заявив и свои цели. Другие предполагали, что их вклад заключается в том, чтобы сообщить об использованном лабораторном оборудовании, о разработанном процессе или об успехах своих студентов, выполнении задачи или проекта.

На межнациональном уровне был предпринят следующий шаг: требование постановки образовательных целей для всех типов аккредитации инженерных программ, начиная с действия региональных комиссий по аккредитации и завершая международной аккредитацией. Что касается инженерии, внедрение инженерных критериев ABET 2000 изменило внимание к задачам, в том числе к некоторым, связанным с функционированием лабораторий.

Поскольку акцент в системе критериев ставился на целях и оценке, работа была направлена на то, чтобы определить соответствие программ некоторым критериям. Для лабораторных курсов инженерных факультетов специальный лабораторный критерий стал важнее, чем определение целей обучения студентов. Общая цель состояла в том, чтобы связать теорию и практику, привнести «реальный мир» в теоретическое образование. Основная цель – поддержать уровень мотивации либо для продолжения изучения инженерии, либо для прохождения определенного курса обучения. В последние годы стало очевидным, что все меньше студентов поступало в университет с опытом работы механика или мотивацией радиолюбителя, поэтому лаборатории часто использовались, чтобы дать студентам возможность развития инженерной мотивации.

Цели или задачи курса часто формулировались в общих чертах, а их достижение не оценивалось. Тем не менее, они имели основополагающее значение для развития инженерных навыков, для оценки успеха и развития лабораторной программы. Есть несколько примеров успешной оценки целей лабораторного курса. Например, удержание студентов – это то, что можно измерить и иногда использовать в качестве «заменной» мотивации. Другим часто используемым показателем успеха является результат опроса удовлетворенности студентов. В качестве другого примера оценки эффективности лабораторных практик используют интерес и вовлеченность студентов в физическую работу в рамках лабораторных исследований, работу, связанную с наладкой и настройкой оборудования, ремонтом, поддержанием процессов эксплуатации.

Значимость процессов моделирования

Сегодня тренажеры используются для обучения всем видам сложно организованной и требующей определенной квалификации деятельности – от пилотирования сложных летательных аппаратов до управления атомными электростанциями или комплексными установками в химической промышленности.

Сегодня доступны программы моделирования, которые точно имитируют многие технические и физические процессы. Эти программы играют важную роль в разработке образовательных программ. Две важные разработки программного обеспечения, используемые для моделирования инженерных процессов, оказали революционное влияние на инженерное образование – моделирование методом использования конечных элементов (FEM – Finite Element Method) и программа моделирования с акцентом на информационные системы (SPICE).

Возникновение метода конечных элементов связано с решением задач космических исследований, а идея была разработана советскими учеными в 1936 г. Этот метод возник из строительной механики и теории упругости, а уже затем было получено его математическое обоснование. Важный вклад в теоретическую разработку метода сделал Мелош, который показал, что метод конечных элементов можно рассматривать как один из вариантов хорошо известного метода Рэлея-Ритца. Например, в строительной механике FEM посредством минимизации потенциальной энергии позволяет свести задачу к системе линейных уравнений равновесия. После того, как была установлена связь метода с процедурой минимизации, он стал применяться к задачам, описываемым уравнениями Лапласа или Пуассона, позднее стал базовым методом численных расчетов для моделирования физических процессов.

Программное обеспечение FEM было продуктом инструментального структурного анализа, разработанного в 1940-х годах, чтобы помочь инженерам проектировать более совершенные самолеты. SPICE был результатом усилий Рорера из Калифорнийского университета Беркли по разработке программы моделирования цепей оптимизации. В некотором смысле SPICE и FEM стали виртуальными лабораториями. Студенты смогли проектировать как схему, так и механическую конструкцию, а затем представлять ее в SPICE или описывать посредством FEM, чтобы определить характеристики конструкции «экспериментально» с помощью цифрового моделирования.

Однако эти программы имели ограничения. Реальные устройства и материалы были сложнее, их труднее было смоделировать. Поскольку симуляция должна быть настолько хороша, насколько результативно используется модель, важно, чтобы модель была точной. Некоторые модели были основаны на упрощенных схемах, которые не работали при анализе сложных систем или структур. Понимание ограничений моделирования в сравнении с реальными процессами является ключевым фактором в их использовании. В образовании моделирование использовалось для иллюстрации явлений, которые сложно визуализировать, таких как электромагнитные поля, теплопередача, поток электронов в полупроводниковых материалах или лучевая нагрузка.

Основными областями и возможностями применения моделирования являются:

• •    моделирование можно использовать в качестве предлабораторного опыта, чтобы дать обучающимся определенное представление о том, с чем они столкнутся в реальном эксперименте. Это может повысить безопасность лабораторных процессов за счет ознакомления студентов с оборудованием перед его использованием. Это способствует значительной экономии финансовых средств за счет сокращения времени, необходимого обучающемуся или команде студентов для эксплуатации дорогого лабораторного оборудования, тем самым уменьшая число необходимых лабораторных часов;

• •    моделирование можно использовать как автономную замену физических лабораторных процессов, а затем сравнивать производительность студентов, использовавших моделирование или традиционные лаборатории. Как показывает практика, производительность приблизительно равная;

• •    моделирование полезно для экспериментальных исследований систем, которые являются громоздкими, дорогими или слишком опасными для физического измерения студентами.

Критика симуляций и моделирования традиционно заключалась в том, что симуляции были слишком простыми и ригидными (не способными к изменениям), модели нереалистичными, а сформулированные результаты неадекватно представляли реальные системы. Лучшие результаты, направленные на то, чтобы создать и развивать лабораторные практики, основанные на моделировании, включали в себя ряд инновационных решений, например, использование бюджетных и временных ограничений при постановке задачи или включение в модель статистических флуктуаций с целью повышения реалистичности модели.

Общепризнано, что компьютерное моделирование сегодня не может полностью заменить физические или практические эксперименты. Однако с увеличением производительности операционных систем будет расти реалистичность моделей. Пример систем имитации авиаполета способен вдохновить преподавателей инженерных специальностей на дальнейшую разработку лучших лабораторных симуляций, поскольку пилоты, испытавшие стресс во время тренировок на тренажере, могут подтвердить реалистичность, которую обеспечивает моделирование.

Дистанционное обучение

В инженерной подготовке первыми программами дистанционного обучения были программы для студентов выпускных курсов, которые работали полный рабочий день. Поскольку большинство программ для студентов выпускных курсов не включало лабораторный компонент, вопрос о том, как проводить лабораторные исследования и инициировать лабораторные работы, не возникал. По мере развития программ дистанционного обучения (прежде всего, в бакалавриате) данная проблема требовала решения. Традиционный подход заключался в том, что студенты либо выполняли лабораторные задания в другом учебном заведении (например, в местном колледже), либо проводили некоторое время в инженерном кампусе, изучая лабораторный курс в несколько кредитов.

В любом случае, лаборатория была обычной по всем характеристикам, кроме графика функционирования. Другие программы предоставили удаленным студентам пакеты лабораторных заданий, которые могли быть использованы в домашних условиях для проведения экспериментов. Программы дистанционного обучения адаптировали каждую новую технологию (почтовую программу, новый вид телефонной связи, радиовещания, программы телевидения, магнитофонной записи, компьютерного моделирования) по мере их появления. Однако ни одна из технологий не решила проблему предоставления лабораторного опыта в дистанционном формате. Появление Интернета изменило практику дистанционного обучения, изменив мотивацию как студентов, так и преподавателей.

С новым пониманием возможностей обучения «на расстоянии и в рамках удаленности» интерес к развитию дистанционных лабораторий значительно вырос. В дополнение к возможности предоставления лаборатории для студентов, которые не имели шансов работы в кампусе, стала расти заинтересованность в совершенствовании кампусного лабораторного опыта студентов. Стал заметен потенциал повышения эффективности за счет более эффективного использования пространства лабораторий и предоставления одной единицы лабораторного оборудования большему числу студентов. Наиболее востребованным стало использование Интернета для предоставления студентам удаленного доступа к физической лабораторной базе.

Большинство систем сопровождения удаленного участия студентов и преподавателей в лабораторном процессе строилось по принципу синхронизации присутственного и удаленного режима, что давало обучающимся ощущение реального участия в эксперименте. Некоторые университеты использовали онлайн-видео для усиления эффекта присутствия обучающихся. Другие предоставляли обучающимся возможность загружать параметры эксперимента, а затем получать видеоклип работы устройства в рамках предлагаемых параметров. Программное обеспечение процессов удаленных лабораторий выступало одним из главных источников проблем. Написание такого программного обеспечения было серьезной задачей, поэтому университеты часто использовали коммерческое программное обеспечение. Некоторые преподаватели использовали MS NetMeeting или MATLAB/Simulink для обеспечения доступа к лабораториям, в то время как другие разработали свои собственные системы.

Одной из проблем, связанных с дистанционным обучением, была «самоизоляция» обучающихся (еще в доковидный период). Хойер и другие известные инженеры мирового уровня использовали команды в Интернет-лабораториях, чтобы обеспечить лабораторный опыт для своих студентов. В их системах использовался стандартный браузер, что ликвидировало необходимость в дополнительном программном обеспечении на компьютерах обучающихся и сокращало время, необходимое студенту для изучения работы системы. Дистанцирование привело к тому, что студенты отказались от традиционного (присутственного) процесса обучения.

Обучающиеся выполняли лабораторные работы в группах и проводили периодическую самооценку, что эффективно снижало отрицательные последствия дистанционного режима обучения, равно как и изоляционный эффект. В то время как некоторые преподаватели считали, что лучше всего использовать Интернет для предоставления студентам доступа к физическому оборудованию в реальной лаборатории, другие придерживались позиции, что моделирование само по себе может обеспечить значимый лабораторный опыт. Поскольку доступ студента к экспериментальному устройству осуществляется через компьютерный терминал, основной вопрос заключался в том, можно ли сделать симуляцию настолько реалистичной, чтобы студент не знал, представлен ли ему для работы программный пакет, или пакет аналого-цифровых преобразователей, управляющих измерительными приборами реальной системы, или симулятор.

Таким образом возник вопрос: нужно ли заботиться о том, что воспринимает студент, если выполняет цели обучения, связанные с лабораторной компонентой? Какое бы решение ни использовалось, очевидно, что предоставление лабораторного обучения сегодня остается серьезной проблемой для студентов, получающих дистанционное инженерное образование.

Основные цели и задачи инженерной лаборатории

Как показывает история развития инженерного образования, анализ и оценка функционирования лабораторий не попадали ранее в фокус исследований программ инженерного образования. В итоге сформировались две проблемы. Во-первых, развитие лабораторного опыта без четких учебных целей подобно разработке продукта без четкого набора спецификаций, что повышает вероятность девальвации результатов обучения. Во-вторых, инновационное развитие невозможно, потому что нет целей, которые могли бы «вдохновить» на изменения, равно как нет стандартов, по которым можно было бы судить об изменениях.

Данная ситуация привела ABET как сертифицирующий орган мирового уровня к необходимости публикации системы целей инженерных лабораторий (см. рис.):

• 1.    Развитие профессионального инструментария – датчиков, контрольно-измерительных приборов, программных средств для измерения физических величин.

• 2.    Формирование навыков моделирования. Определение сильных сторон и ограничений использования моделей.

• 3.    Проведение экспериментов. Разработка экспериментального подхода, определение соответствующего оборудования и процедур, интерпретация полученных данных.

• 4.    Анализ данных. Развитие навыков сбора, анализа, интерпретации данных, а также формирования и подтверждения выводов.

• 5.    Дизайн-проектирование. Проектирование, построение конструкций или сборка деталей, продукта или системы, в том числе с использованием конкретных методологий, оборудования или материалов; удовлетворение требований клиента; создание спецификаций на основании требований клиента; тестирование прототипа, системы или процесса с использованием соответствующих инструментов.

• 6.    Обучение, основанное на анализе ошибок. Диагностика ошибок из-за неисправного оборудования, деталей, кода, конструкции, процесса или дизайна, новый цикл проектирования.

• 7.    Развитие креативного мышления. Демонстрация независимого мышления, творчества и способности решать реальные проблемы.

• 8.    Психомоторика. Демонстрация компетентности в выборе, модификации и эксплуатации соответствующих инженерных инструментов и ресурсов.

• 9.    Безопасность. Определение возможностей здоровьесбережения, безопасности процессов и устойчивости окружающей среды посредством технологического развития.

• 10.    Коммуникация. Эффективное взаимодействие по результатам лабораторной работы с определенной аудиторией, как устно, так и в письменной коммуникации, на уровне краткого резюме или подробного технического отчета.

• 11.    Командообразование. Эффективная работа в команде, в том числе структурирование индивидуальной и групповой ответственности; распределение ролей, обязанностей и задач; мониторинг командной динамики; умение работать в системе Deadline; способность интегрировать отдельные вклады в окончательный результат.

• 12.    Этика. Введение этических стандартов инженерной деятельности, в том числе объективное представление информации и данных, добросовестное взаимодействие с коллегами.

• 13.    Сенсорное восприятие. Развитие чувственной сферы обучающихся для сбора информации, обоснования выводов, формулирования реальных проблем.

Данная система целей может быть доработана, но в целом она легла в основу философии развития инженерного образования.

проведение экспериментов

обучение, основанное на анализе ошибок

моделирование

профессиональный инструментарий

анализ данных

дизайн-проектирование

сенсорное восприятие проблемы

креативное мышление

психомоторика студентов

коммуникация

командообразование

этика

безопасность процессов

Рис. Уникальность процессов обучения в лабораториях, формируемые компетенции (составлено авторами)

Заключение

Лабораторные процессы обрели необходимую значимость в развитии инженерного образования, изучение и оценка данной компоненты образовательных программ в дальнейшем создаст основу изменений в моделях компетенций современного инженера.