Инновации в инженерном образовании

Противостояние двух концепций обучения

Виктор Лившиц преподаватель Университета Бен-Гуриона в Негеве, член- корреспондент Российской академии информатизации образования

Проблемная ситуация

Во всех странах работодатели (промышленность, сельское хозяйство, строительство, энергетика, сфера услуг, армия, культура, образование и т.д.) испытывают все обостряющуюся нехватку профессионалов. Но сегодняшнее состояние Engineering Education (ЕЕ) качественно отличается от ситуации десяти-пятнадцатилетней давности: созданы и успешно применяются международные стандарты (МС) ЕЕ, детально регламентирующие все аспекты ЕЕ. Стандарты сгруппированы в три кластера:

• ABET-Criteria 2000 – регламенты ведущих стран мира на базе американских идей,
• EUR-ACE – Болонские стандарты и регламенты для стран континентальной Европы,
• APEC-стандарты для стран Азиатско-Тихоокеанского региона.

Кластеры носят открытый характер: любой втуз ЕЕ через национальную ассоциацию втузов ЕЕ может присоединиться к выбранному кластеру, выполнив, конечно, приемные условия и критерии.

Казалось бы, созданы все предпосылки для инновационной модернизации инженерного образования. Однако мониторинг показывает, что поворот втузов ЕЕ в сторону уменьшения Education Gap (EG) – отрыва ЕЕ от сегодняшних реалий техносферы – происходит достаточно медленно. Небольшое число лидеров такого поворота резко выделяется на фоне инертного массива втузов, еще только раздумывающих о замене традиционной парадигмы ЕЕ. А в некоторых странах нет даже и втузов-лидеров.

Инновационный характер международных стандартов ЕЕ

Разработка МС ЕЕ явилась итогом разрешения многолетнего конфликта интересов в паре «работодатель – «производитель инженеров» при попытках преодоления EG. Весь ареал проблем вокруг EG охватывают монография [1] и интервью [2].

В основу международных стандартов ЕЕ положен категорический примат требований работодателя, характеризующихся параметром «профессиональная компетентность» (ПК) выпускника. В квартете «профессиональная компетентность, знания, умения, навыки» (ПКЗУН), характеризующем результаты ЕЕ, три последних параметра должны использоваться лишь как промежуточные, сугубо учетные показатели.

Структуризация профессиональной компетентности

Познание, виртуальная и материальная реализация новых систем и объектов техносферы декретируются в МС ЕЕ как целевая установка системы ЕЕ целиком и отдельных ее модулей. При этом в реальных контактах инженера с объектами техносферы возникают два вида инфовзаимодействия:

А. Главной задачей признается описание новой системы на этапе проектов и концепций. Это позиция внешнего субъекта – проектанта или лица, принимающего решения. Этап реализации здесь рассматривается исключительно как результат претворения в жизнь проектных решений посредством тривиальных, рутинных действий, полностью лишенных креативности.

В. Главная задача формулируется как овладение новой системой с целью решения и реализации инженерных задач, преодоления сложности объекта посредством нетривиальных, эмпирических, эвристических, формально не описываемых креативных действий и решений для получения конструктивных и продуктивных результатов. Это позиция пусконаладчика и основного пользователя-просьюмера (producer+consumer в одном лице).

Взаимодействия по типу А многократно описаны в научной литературе и проектной документации. В таких случаях для описания системы используют различные модели [3]. Научные и учебные дисциплины, составляющие блок естественных наук (ЕН), традиционно излагают обширный инструментарий для решения задач типа А. К этому добавляется сегодня мощный потенциал машинных расчетов и имитации на ЭВМ. Выпускник-инженер в этих условиях довольно быстро проходит путь от новичка до молодого профессионала. Гораздо сложнее обстоит дело с задачами типа B. Технологические действия, ведущие к результату, здесь не имеют модельного описания – до сих пор не разработаны ни общая теория технологии, ни специальные теории отдельных технологий. Очевидно, что процесс профессионализации выпускника ЕЕ в этом случае должен быть качественно иным, чем в случае A. Поэтому необходим углубленный анализ техносферных объектов инженерной деятельности в случае B.

Производственно-технологическая система (ПТС)

Длительное время считалось аксиомой, что объект инженерной деятельности в техносфере – это машина или совокупность машин, техническая система (ТС). Сегодня термин «техническая система» уже не отражает сущности сложных многофункциональных объектов техносферы при ее инновационной модернизации. Работодатели сегодня стремятся покупать или производить такие объекты техносферы, в которых достигнут высокий уровень автоматизации проектирования, изготовления, контроля, сбыта, послепродажного мониторинга и обслуживания. Поэтому целесообразно перейти от термина ТС к термину ПТС. Например, ПТС дискретного производства – прежде всего, машиностроения или приборостроения – это объект техносферы, созданный средствами современного хардвера и софтвера с целью преобразования предметов труда, заданного конструкторской информацией, автоматическим действием технологических эффекторов, обусловленным технологической информацией. Материальная форма производственно-технологической системы дискретного производства – ансамбль из людей, технологических машин, транспортно-накопительных средств и управляющих устройств. Основным компонентом ПТС, ее «клеточкой», является технология, а ядром технологии, несущим «генетические» нагрузки, – информация.

Профессиональная компетентность для овладения ПТС

Первым шагом здесь должен быть процесс самообучения объекта субъекта обучения – тьютора, который затем обучает будущего инженера. Тьютор входит в инфоконтакт с атакуемой ПТС.

По мере роста сложности техносферы вообще и ПТС в частности такие системы начинают проявлять некоторое подобие «поведения». Состояние обманутых ожиданий пользователя в этой ситуации хорошо отражает введенный в Массачусетском технологическом институте термин «контринтуитивность»: «Эта проклятая штука ведет себя не так, как должна была бы вести!». По этому признаку ПТС могут быть отнесены к кибернетическим системам (КС) по классификации Н.Н. Моисеева [3].

Для КС характерно наличие блока тезауруса – инфомодели среды и самой кибернетической системы. ПТС нельзя признать полноценной кибернетической системой, поскольку автономный блок тезауруса в них отсутствует, и носителями тезауруса в автоматизированных ПТС являются компьютерная, алгоритмическая и системная страты в структуре ПТС, сопроводительная документация – прежде всего, технологическая – и ментальные блоки тезауруса в головах пользователей.

Тьютор, вступая в инфоконтакт с атакуемой ПТС, принимает на себя роль носителя тезауруса и в таком качестве решает свою главную задачу – трансляцию информации от ПТС в собственное хранилище. В этом процессе происходит эпистемологическое преобразование информации в знания, умения, навыки, на базе которых формируется автотезаурус. Это и есть профессиональная компетентность. Многолетняя практика ЕЕ показывает, что создание автотезауруса можно интерпретировать как образование некоего симбиоза тьютора и атакуемой ПТС – временной кибернетической системы (ВКС). Этот виртуальный объект и является основным инструментом инженерного овладения сложными объектами техносферы. Поэтому задача тьютора – сформировать у будущего инженера профессиональную компетенцию как инструментарий создания ВКС.

Очевидно, что решить эту задачу невозможно методами теоретического или имитационного обучения. Только «клинические» методы обучения в условиях реальных ВКС дают требуемый результат: сочетание «knowledge + know how» в виде креативных решений (комбинации эмпирических знаний и эвристических находок) выполняет формирование тезауруса выпускника ЕЕ в полноценную профессиональную компетентность. Подобная концепция обучения инженера получила название «профессионализация ЕЕ» (ПЕЕ). Именно ПЕЕ в полной мере отвечает требованиям МС ЕЕ.

Конкурирующие концепции обучения – ПЕЕ и ФЕЕ

Однако, как уже отмечалось, значительное число втузов продолжает работать по старой «колодке», в основе которой лежит концепция «фундаментализации ЕЕ» (ФЕЕ). Такие втузы выпускают «эрудитов в белых халатах», которые при столкновении с объектами реальной техносферы превращаются в «эмбрионов» (выражение работодателей) вместо профессионалов.

Реализация концепции ПЕЕ требует больших затрат и забот: оснащения втузов дорогостоящими средствами «образовательной инженерии» (современные хардвер и софтвер, стационарные и мобильные роботы, оборудование с ЧПУ, рабочие места реальных производств и т.д.), постоянного переобучения педагогов, организации практики, курсового и дипломного проектирования на предприятиях хай-тек и т.д.

А главный вопрос апологетов ФЕЕ, занимающих сверхпрочные позиции в топ-структурах ЕЕ: где взять резервы учебного времени? Ответ на этот вопрос давно известен втузам-лидерам и педагогам-новаторам: значительные резервы учебного времени появятся, когда произойдет отказ от ложно понимаемой, схоластической концепции ФЕЕ и замена ее на ПЕЕ.

Что несет в себе концепция ФЕЕ, до сих пор высокомерно провозглашаемая «научным базисом ЕЕ»? ФЕЕ – это:

• EG вследствие «широты» и безадресности подготовки инженеров, в то время как международные стандарты ЕЕ требуют прямо противоположного;
• преподавание ЕН в начале XXI века так же, как и в начале ХХ-го. Апологеты ФЕЕ утверждают, что такое положение легитимно, поскольку «законы природы неизменны». Далее будет показано, что это утверждение не соответствует современной научной картине мира);
• игнорирование того факта, что естествознание не единственный корпус фундаментальных наук: уже более ста пятидесяти лет существуют науки о техносфере – корпус технознания; в последние полвека появились науки об инфосфере – корпус инфознания (эта позиция ФЕЕ ведёт к игнорированию инженерных задач типа В, к снобистскому разделению учебных курсов, научных и инженерных направлений на «аристократические» и «плебейские»); – игнорирование фундаментального феномена ХХ века – невероятного роста сложности объектов техносферы, инфосферы, социосферы, ответом на который был инновационный прорыв – создание блока «наук ХХ века» – кибернетики, общей теории систем – системологии, системотехники, системного анализа, синергетики, теории сложности, теории хаоса, общей теории информации, мехатроники, моделетроники и т.д. (приверженцы ФЕЕ рассматривают науки ХХ века как нефундаментальные прагматические разделы ЕН и на этом основании оправдывают их дискриминацию, отводя на их изложение минимум учебных часов);
• претензия на абсолютизацию роли ЕН в подготовке инженера утверждением тезиса о том, что методы и средства анализа и исследований, накопленные в ЕН, – это вершина инструментальных достижений человека в области познания (в угоду этому тезису студентам различных специальностей – всем вместе! – излагаются общие теории ЕН, в редких случаях подкрепляемые упрощенными и школярскими примерами из практики).

Напротив, ПЕЕ состоит в обучении системно осмысленной практике каждой специальности и в насыщении всех без исключения учебных дисциплин подлинными профессиональными задачами и проектами. ПЕЕ, как и ФЕЕ, провозглашает приоритет фундаментальных дисциплин и сведение к минимуму дисциплин описательных, эклектичных, рецептурных. Но в качестве научного базиса техносферы ПЕЕ рассматривает не только естествознание, но и технознание и науки ХХ века. Поэтому ПЕЕ несет в себе подлинную фундаментализацию ЕЕ.

Как уже упоминалось, во многих областях инженерного дела до сих пор не разработаны общая теория технологии и специальные теории отдельных технологий. Но можно с полным основанием утверждать, что идеи цели, инфопотока, обратной связи, адекватности и гомеостаза, составляющие активный инструментарий наук ХХ века, образуют надежную опорную схему для изучения систем различной природы и для продвижения к созданию общей теории технологии. Поэтому в русле концепции ПЕЕ следует увеличивать часы для изучения наук ХХ века, а не выхолащивать их содержание и изучение как малозначащих приложений ЕН.

Преодоление ФЕЕ

Хотя топ-структуры ЕЕ грудью стоят на защите ФЕЕ, во всем мире и в России уже многими сотнями насчитываются успешные примеры преодоления этой ложной концепции втузами, кафедрами и отдельными педагогами. В интервью [2] приведены два впечатляющих примера инновационной модернизации курсов физики и высшей математики (ВМ) для инженеров всемирно известными учеными и выдающимися педагогами В.С. Пугачёвым и Л.Д. Ландау. Академик В.С. Пугачёв предложил четыре принципа модернизации курса ВМ для авиаинженеров и реализовал эти идеи в своей более чем полувековой педагогической деятельности, достигнув впечатляющих успехов в экономии времени на простом учебном материале с тем, чтобы ввести в курс новейшие сложные разделы ВМ. Академик Л.Д. Ландау также излагал теоретическую механику за один (!) семестр вместо четырех.

До сих пор втузовские учебники используют для объяснения законов Ньютона и следствий из них характеристики ньютоновского описания: силу, координату, скорость, импульс. Это описание соответствует состоянию науки в XVIIXVIII веках. В начале XIX века формулировка второго закона Ньютона уже была обобщена с помощью новой функции – гамильтониана Н, который характеризует полную энергию системы. Одна функция Н полностью описывает динамику системы. Зная только Н, можно решить все возможные задачи механики Ньютона. Гамильтонова формулировка классической динамики – одно из величайших достижений в истории науки, триумф математизации природы. В дальнейшем гамильтонов формализм в виде канонических уравнений был расширен, охватив теории электричества, магнетизма, квантовой механики (в форме оператора).

Именно функцию Н, наряду с другими методическими инновациями, использовал Л.Д. Ландау для впечатляющей экономии учебного времени. К сожалению, ни в 30-е годы ХХ века, ни восемьдесят лет спустя функции Гамильтона не были включены в программы высшей математики для инженеров.

Новый диалог человека с природой и концепция ФЕЕ

Идеологи концепции ФЕЕ утверждают, что именно преподавание естественных наук по методологии ФЕЕ вырабатывает у слушателей цельное научное мировоззрение, менталитет научного образа мышления. Вот их аргументы: законы природы универсальны и неизменны, поэтому изложение ЕН на основе методологии и описания классиков, открывших эти законы, даёт яркую картину исторического пути науки и приводит к формированию научного мировоззрения слушателей.

В начале второго десятилетия XXI века подобные утверждения – не что иное, как невежественные заблуждения. Уже полвека длится интенсивная научно-гносеологическая атака на устаревшие догматы ньютонианства – классической науки XVII-XVIII веков. Возник новый диалог человека с природой на базе инновационных прорывов мировой науки в ХХ веке. Сегодня уже можно с полной уверенностью сказать, что в итоге полувековых усилий ученых построен новый научный метод революционного естествознания. Этот метод положен в основу нового научного мировоззрения, которое противостоит классически-механистическим – причинным моделям Бэкона, Галилея, Декарта, Ньютона и их последователей. Наибольший вклад в этот научный прорыв внесли выдающийся исследователь и мыслитель Илья Пригожин и Брюссельская школа его учеников и единомышленников [4], [6].

Основоположники классической науки утверждали, что законы природы глобальны и неизменны, и все происходящее в мире можно объяснить посредством унифицированных схем, отвечающих постулатам рациональности. Признанию этих постулатов классической науки XVII века способствовал поразительный, беспрецедентный успех: удивительное совпадение между ее теорией и экспериментальными результатами опытов или измерений. Этот успех объясняется тем, что опыты и измерения проводились на простых системах: падение твердого тела, движение маятника или орбитальные движения планет.

Классикам науки XVII века крупно повезло и в том, что изучаемые ими системы оказались пограничными случаями, когда физическая и химическая активность систем равновесны, и поэтому такие системы подчиняются детерминизму и обратимости.

Громадный арсенал экспериментальных результатов в различных областях науки конца XIX века и всего XX века показал, что правилом как раз является необратимость и недетерминированность систем и процессов.

Именно необратимые процессы, которые раньше отметались как неприятные помехи для исследования, теперь превратились в центр интересов самых разных областей науки. Эти процессы лежат в основе далеких от равновесия состояний материи и неожиданно проявляются в стихийной самоорганизации процессов в природных и искусственных системах. При этом незначительные колебания элементов системы могут повлечь за собой сильные изменения и обнаружить новые формы когерентности и взаимодействия структур.

По словам И. Пригожина, «наука вновь открывает для себя понятие времени» [4]. Время рассматривается не только как параметр движения в динамике, но и как мерило внутреннего саморазвития. Если есть объекты неорганизованные и объекты организованные, то это результат эффекта времени. Ему как бы принадлежит роль творца, и поэтому время действует в качестве «всеобщего эффектора» как в микромире, так и в макромире. «Будущее не вытекает из прошлого» [4] – эта формула стала лейтмотивом новой картины мира. Будущее требует для своего прорыва в реальность новых и обязательно нетривиальных, креативных решений и действий. «Твердо уверенным можно быть только в том, что весь этот мир насквозь проникнут креативностью» [6].

Новые парадигмы ЕН

Переход к философии развития и становления – вот что означают новые парадигмы ЕН, в то время как парадигмы классической науки относились к статической субстанции – бытию. «В начале третьего тысячелетия мы твердо знаем, что дверь в будущее широко открыта, что мир не закрыт и не закончен, а находится в становлении. Поэтому наши решения приобретают особенный вес» [6]. В беспредельной и разнообразной Вселенной человечество занимает ничтожно малое место. Но роль человека привилегированна в силу того, что он носитель креативной ментальности, рождающей новое. И в этом человек подобен природе, которая обновляется беспрерывно. Потому он и вступает с природой в коммуникацию, диалог – чтобы осознать ее изобретательную творческую деятельность.

При этом понимание природы все дальше выходит из границ односторонних концепций – материалистических или идеалистических. Такое понимание природы чуждо классической науке. «Ни в коем случае я не хочу оспаривать то, что ньютоновские аксиомы великолепно применимы к определенному классу систем», – утверждает И. Пригожин [4]. Но реальные системы попадают в эти классы, когда их грубо упрощают, стилизуя в исключения, обратимый характер которых противоречит внимательному наблюдению и опыту. Великие ученые терпели крах в несостоятельных попытках охватить постулатами классической науки все огромное разнообразие природы: А. Эйнштейн, рассматривавший мироздание как детерминированную машину, не смог резюмировать все законы физики в единой унифицированной теории поля; неубедительны построения Р. Фейнмана и С. Хокинга, которые полагают, что природа может быть описана немногими законами классической и квантовой механики, чем-то вроде всемирной универсальной формулы.

Ньютонианство с самого начала подвергалось суровой критике: уподобление мироздания часовому механизму у многих мыслителей вызывало протест. Сильнейшие удары получили парадигмы Ньютона (ПН) с самого начала XIX века: тепловые машины и их теория, второе начало термодинамики, эволюционная теория Дарвина, квантовая механика – вот наиболее существенные из таких ударов. И все же до сих пор ПН образуют центральное ядро науки в целом. Это положение сохраняется с тех пор, как ПН оказались адекватными тем объектам техносферы, которые были созданы в период первой промышленной, машинной революции (вторая половина XVIII века). Для решения этих новых задач классическая наука далеко продвинулась в изучении проблем устойчивости, равновесия, однородности и порядка, в познании замкнутых систем и линейных соотношений сигналов на их входе и выходе. Однако претензии ньютонианства на монополию в описании мироздания сегодня, в XXI веке, после трехсот лет сокрушительной критики ПН, не могут восприниматься всерьез.

Парадигмы И. Пригожина исходят из того, что большинство систем во Вселенной и на Земле открыты – они обмениваются энергией, веществом и информацией. Главенствующую роль в этих системах играют не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость, неравновесность, нелинейность, темпоральность. Открытые системы содержат подсистемы, которые непрестанно подвержены флуктуациям. Иногда флуктуации могут быть настолько сильными, что существующая организация системы разрушается (точки бифуркации). Состояние системы может стать хаотическим. Однако возможен и другой сценарий – переход системы на более высокий уровень упорядоченности или организации, который И. Пригожин назвал диссипативными структурами [4]. Эти предложения И. Пригожина американский футуролог Э. Тоффлер [5] провозглашает «чрезвычайно плодотворной идеей»: они открывают возможность спонтанного возникновения порядка и организованных структур из хаоса в результате процесса самоорганизации.

И все же ПН до сих пор занимают сильные позиции не только в ЕН, но и в социальных науках, например, экономических.

Поэтому центральная задача ЕЕ в формировании мировоззрения инженеров должна заключаться в решительном отходе от ПН и преподнесении слушателям инновационных инструментов диалога человека с природой.

Итак, претензии приверженцев ФЕЕ на монополию формирования у слушателей современного научного мировоззрения необоснованы, поскольку преподносимый ими учебный материал чаще всего относится к Plusquamperfekt – событиям и истинам давно прошедшего времени. Доводы идеологов ФЕЕ напоминают утверждение учителя физики о том, что легитимно преподавание геоцентрической системы Птолемея вместо гелиоцентрической системы Коперника, поскольку это одно и то же.

Пора сдать в архив концепцию ФЕЕ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Беляев Арнольд, Лившиц Виктор. Educational Gap: технологическое образование на пороге XXI века. – Томск: Издательство STT, 2003. – 503 с.
2. «Продукция» инженерного образования: эрудиты или профессионалы? – Лившиц Виктор, интервью. – Журнал «Аккредитация в образовании», № 6 (41), сентябрь 2010 г., с. 13-19.
3. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981.– 488 с.
4. Пригожин Илья, Стенгерс Изабелла. Порядок из хаоса: Пер. с англ. – М.: Прогресс, 1986. – 432с.
5. Тоффлер Элвин. Наука и изменение. – Предисловие к монографии [4].
6. Будущее не содержится в настоящем. – Пригожин Илья, интервью.– Журнал «Вестник Европы», № 28-29, 2010.