Помощь студентам в учебе
МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ПРОЕКТЫ В СОВРЕМЕННОМ ИНЖЕНЕРНОМ ОБРАЗОВАНИИ: ОПЫТ РАЗРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИЯ РОБОТА-МАНИПУЛЯТОРА
|
Аннотация
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ПОНЯТИЙ И СОКРАЩЕНИЙ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1 Инженерное образование: проблемы и перспективы развития 8
1.1 Развитие инженерного образования: прошлое и настоящее 8
1.2 Практико-ориентированное обучение и проектная деятельность в инженерном
образовании 14
1.3 Междисциплинарный подход в инженерном образовании 21
1.4 Образовательная робототехника в высшей школе 24
1.5 Применение трехмерной печати в высшем техническом образовании 28
Глава 2 Разработка междисциплинарного лабораторного практикума для студентов инженерных специальностей 34
2.1 Образовательные технологии, заложенные в основу лабораторного практикума 34
2.2 Этапы разработки лабораторного практикума 36
Глава 3 Апробация и внедрение лабораторного практикума по созданию и управлению роботом манипулятором 44
3.1 Модель апробации и внедрения 45
3.2 Перспективы тиражирования междисциплинарного лабораторного практикума 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 49
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 50
ПРИЛОЖЕНИЕ А 58
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 61
ПРИЛОЖЕНИЕ В 63
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ПОНЯТИЙ И СОКРАЩЕНИЙ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1 Инженерное образование: проблемы и перспективы развития 8
1.1 Развитие инженерного образования: прошлое и настоящее 8
1.2 Практико-ориентированное обучение и проектная деятельность в инженерном
образовании 14
1.3 Междисциплинарный подход в инженерном образовании 21
1.4 Образовательная робототехника в высшей школе 24
1.5 Применение трехмерной печати в высшем техническом образовании 28
Глава 2 Разработка междисциплинарного лабораторного практикума для студентов инженерных специальностей 34
2.1 Образовательные технологии, заложенные в основу лабораторного практикума 34
2.2 Этапы разработки лабораторного практикума 36
Глава 3 Апробация и внедрение лабораторного практикума по созданию и управлению роботом манипулятором 44
3.1 Модель апробации и внедрения 45
3.2 Перспективы тиражирования междисциплинарного лабораторного практикума 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 49
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 50
ПРИЛОЖЕНИЕ А 58
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 61
ПРИЛОЖЕНИЕ В 63
Распространение новых технологий, возникновение высокоинтеллектуальных рынков, проникающих во все сферы человеческой жизни, приводят к глобальным изменениям в промышленности и экономики страны в целом. При переходе к новому технологическому укладу в ближайшие 10-20 лет формируются новые рынки, базирующиеся на принципиально новом комплексе передовых технологий, продуктов и сервисов. Для того, чтобы России оставаться весомым игроком на международном рынке, уже сейчас следует формировать научно-технологический задел по приоритетным технологиям. В послании президента В.В. Путина Федеральному собранию 4 декабря 2014 года, где он обозначил Национальную технологическую инициативу, как одно из приоритетных направлений государственной политики, говорится: «На основе долгосрочного прогнозирования необходимо понять, с какими задачами Россия столкнется через 10-15 лет, какие передовые решения потребуются для того, чтобы обеспечить национальную безопасность, качество жизни людей, развитие отраслей нового технологического уклада».
Помимо применения новых подходов к технологическому развитию страны следует также отметить одну из приоритетных задач российских компаний: преодоление технологических барьеров на пути создания новых продуктов. Именно поэтому фокус исследовательской деятельности в научных институтах и университетах смещается в сторону технологических направлений Национальной технологической инициативы для того, чтобы выпускники были востребованы на рынке труда в ближайшие 20 лет. В связи с этим можно смело утверждать, что инженерное образование оказывает колоссальное влияние на приоритетные направления развития промышленности страны. Сегодня Российское инженерное образование столкнулось с целым рядом вызовов, поступающих в научное сообщество извне, такими как: снижением престижа инженерных специальностей, противоречия между прежней системой подготовки инженерных кадров и новыми запросами работодателей, устаревание материально технической базой как в вузах, так и на предприятиях. Все это накладывает некоторые ограничения на развитие экономики, и без модернизации инженерного образования России не удастся конкурировать на международных рынках. Соответственно, определение вектора развития современного инженерного образования России является актуальной задачей.
Данная исследовательская работа посвящена разработке междисциплинарного практико-ориентированного лабораторного практикума, который является ответом на вызовы современного высокотехнологического рынка высшего инженерного образования. Объектом исследования является высшее инженерное образование, предметом - разработка и внедрение лабораторной работы по созданию и управлению роботом манипулятором. Цель нашего исследования - разработать и внедрить междисциплинарный практикоориентированный лабораторный практикум для студентов технических специальностей, в рамках трансформации современного инженерного образования. Научная гипотеза заключается в том, что для подготовки современного инженера в вузе требуются другие подходы в обучении, основанные на передачи опыта, решения реальных задач, а не на получении знаний.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ состояния инженерного образования в России;
2. Выявить лучшие образовательные практики, которые позволяют сегодня готовить современных инженеров, способных решать актуальные задачи предприятий;
3. Разработать и внедрить практико-ориентированную лабораторную работу для подготовки специалистов по приоритетным направлениям, для преодоления вызовов современного высокотехнологичного рынка.
Методы исследования: теоретическое исследование, анализ, индукция, дедукция, сравнительный анализ, систематизация.
Теоретической базой исследования послужили работы ученых в области инженерного образования, исследователей в области педагогики, проектного обучения, разработчики практико-ориентированных образовательных программ. В частности, провести исследования истории развития инженерного образования в России удалось благодаря работам Д.Л. Сапрыкина, С.П. Тимошенко, О.Н. Беришвили и др., занимающиеся изучением образовательного потенциала России, а также некоторые из них являются инженерами практиками, что может подтверждать релевантность данных исследований. Неоценимый вклад в развитие инженерного образования России внес Ю.П. Похолков, являясь президентом Ассоциации инженерного образования России, он одним из первых предложил комплекс мер по модернизации инженерного образования, которое будет востребовано на международном уровне. По его инициативе было проведено исследование проблем и путей становления и развития университетов России как академических инновационных структур. В результате исследования разработаны концепция академического инновационного университета, а также технология трансформации традиционных университетов в инновационные. Помимо Ю.П. Похолкова исследованиями инженерного образования занимались следующие ученые: М.В. Кутузов, Т.В. Донцова, С.С. Кугаевский, С.С. Полисадов и др., их исследования направлены в область практического применения образовательных технологий в инженерном образовании. Данные работы позволяют оценить практическую значимость образовательных проектов в инженерном образовании. О междисциплинарных исследованиях в инженерном образовании говорят работы О.В. Харитонова, Lori Nicolas Francisco, Т. В. Германовой, С.Н. Солдатова и др., основанные на опыте работы студентов в междисциплинарных проектах. Их исследования представляют научный и практический интерес для вузов с техническим направлением подготовки. Исследования в области быстроразвивающихся образовательных направлений, такие как аддитивные технологии и робототехника, были проведены А. Колесниковым, А. Полысаевым, А.М. Лейбовым, В.С. Заседателем и др. Эти работы заложили основу разделов исследования посвященным образовательной робототехники и трехмерной печати. При анализе принципов внедрения лабораторного практикума в образовательный процесс использовались научно-практические работы Г.Р. Мингалеева, В.А. Рукавишникова, С.Е. Кокина и др., в основе которых лежал реальный опыт внедрения образовательных методик, программ в учебный процесс, которые позволяют повысить качество подготовки специалистов инженерного профиля. Анализ показал, что несмотря на наличие опыта в решении проблем, связанных с инженерным образованием, каждый новый проект в данной области является примером для всех вузов технической направленности. Поэтому опыт и результаты, описанные в данном исследовании, представляют, на наш взгляд, научный и практический интерес.
Представленная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Во введении обозначена актуальность, цель, задачи, объект, предмет и методы исследования. В первой главе анализируются современное инженерное образование, проектная деятельность в образовании, практико-ориентированность в инженерном образовании, междисциплинарные инженерные исследования, а также быстро развивающиеся направления промышленности. Основным заключением этой главы является то, что модернизация инженерного образования неизбежна при переходе нашей страны в новую технологическую эпоху.
Вторая глава посвящена разработке практико-ориентированного лабораторного практикума по созданию и управлению роботом-манипулятором. Лабораторная работа была разработана на основе актуальных образовательных технологий, таких как: междисциплинарность - студенты двух направлений подготовки работают над решением одной задачи, проектируют и программируют робота-манипулятора; практикоориентированное образование - при выполнение задач лабораторного практикума студенты приобретают профессиональные навыки и компетенции, например, работа в профессиональных программах компьютерного моделирования, разработка систем управления промышленными роботами; проектное обучение - принцип, предполагающий командное выполнение лабораторного практикума, благодаря чему студенты получают опыт командного взаимодействия, опыт выстраивания коммуникаций.
Третья глава посвящена процессу внедрения разработанной практикоориентированной лабораторной работы на физико-технический факультет Томского государственного университета на следующие направления подготовки: «Прикладная механика» (15.03.03) и «Мехатроника и робототехника» (15.03.06).
В заключении подводятся итоги и обозначаются перспективы исследования. В приложениях представлены: исходный код двух программ по управлению роботом- манипулятором, а также акт о принятии к внедрению результатов магистерской диссертации.
Материалы, содержащиеся в диссертации, могут быть полезны университетам, имеющим инженерные направления подготовки, в процессе трансформации инженерного образования, разработки образовательной модели подготовки инженерных кадров на основе междисциплинарности и интерактивности.
Помимо применения новых подходов к технологическому развитию страны следует также отметить одну из приоритетных задач российских компаний: преодоление технологических барьеров на пути создания новых продуктов. Именно поэтому фокус исследовательской деятельности в научных институтах и университетах смещается в сторону технологических направлений Национальной технологической инициативы для того, чтобы выпускники были востребованы на рынке труда в ближайшие 20 лет. В связи с этим можно смело утверждать, что инженерное образование оказывает колоссальное влияние на приоритетные направления развития промышленности страны. Сегодня Российское инженерное образование столкнулось с целым рядом вызовов, поступающих в научное сообщество извне, такими как: снижением престижа инженерных специальностей, противоречия между прежней системой подготовки инженерных кадров и новыми запросами работодателей, устаревание материально технической базой как в вузах, так и на предприятиях. Все это накладывает некоторые ограничения на развитие экономики, и без модернизации инженерного образования России не удастся конкурировать на международных рынках. Соответственно, определение вектора развития современного инженерного образования России является актуальной задачей.
Данная исследовательская работа посвящена разработке междисциплинарного практико-ориентированного лабораторного практикума, который является ответом на вызовы современного высокотехнологического рынка высшего инженерного образования. Объектом исследования является высшее инженерное образование, предметом - разработка и внедрение лабораторной работы по созданию и управлению роботом манипулятором. Цель нашего исследования - разработать и внедрить междисциплинарный практикоориентированный лабораторный практикум для студентов технических специальностей, в рамках трансформации современного инженерного образования. Научная гипотеза заключается в том, что для подготовки современного инженера в вузе требуются другие подходы в обучении, основанные на передачи опыта, решения реальных задач, а не на получении знаний.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ состояния инженерного образования в России;
2. Выявить лучшие образовательные практики, которые позволяют сегодня готовить современных инженеров, способных решать актуальные задачи предприятий;
3. Разработать и внедрить практико-ориентированную лабораторную работу для подготовки специалистов по приоритетным направлениям, для преодоления вызовов современного высокотехнологичного рынка.
Методы исследования: теоретическое исследование, анализ, индукция, дедукция, сравнительный анализ, систематизация.
Теоретической базой исследования послужили работы ученых в области инженерного образования, исследователей в области педагогики, проектного обучения, разработчики практико-ориентированных образовательных программ. В частности, провести исследования истории развития инженерного образования в России удалось благодаря работам Д.Л. Сапрыкина, С.П. Тимошенко, О.Н. Беришвили и др., занимающиеся изучением образовательного потенциала России, а также некоторые из них являются инженерами практиками, что может подтверждать релевантность данных исследований. Неоценимый вклад в развитие инженерного образования России внес Ю.П. Похолков, являясь президентом Ассоциации инженерного образования России, он одним из первых предложил комплекс мер по модернизации инженерного образования, которое будет востребовано на международном уровне. По его инициативе было проведено исследование проблем и путей становления и развития университетов России как академических инновационных структур. В результате исследования разработаны концепция академического инновационного университета, а также технология трансформации традиционных университетов в инновационные. Помимо Ю.П. Похолкова исследованиями инженерного образования занимались следующие ученые: М.В. Кутузов, Т.В. Донцова, С.С. Кугаевский, С.С. Полисадов и др., их исследования направлены в область практического применения образовательных технологий в инженерном образовании. Данные работы позволяют оценить практическую значимость образовательных проектов в инженерном образовании. О междисциплинарных исследованиях в инженерном образовании говорят работы О.В. Харитонова, Lori Nicolas Francisco, Т. В. Германовой, С.Н. Солдатова и др., основанные на опыте работы студентов в междисциплинарных проектах. Их исследования представляют научный и практический интерес для вузов с техническим направлением подготовки. Исследования в области быстроразвивающихся образовательных направлений, такие как аддитивные технологии и робототехника, были проведены А. Колесниковым, А. Полысаевым, А.М. Лейбовым, В.С. Заседателем и др. Эти работы заложили основу разделов исследования посвященным образовательной робототехники и трехмерной печати. При анализе принципов внедрения лабораторного практикума в образовательный процесс использовались научно-практические работы Г.Р. Мингалеева, В.А. Рукавишникова, С.Е. Кокина и др., в основе которых лежал реальный опыт внедрения образовательных методик, программ в учебный процесс, которые позволяют повысить качество подготовки специалистов инженерного профиля. Анализ показал, что несмотря на наличие опыта в решении проблем, связанных с инженерным образованием, каждый новый проект в данной области является примером для всех вузов технической направленности. Поэтому опыт и результаты, описанные в данном исследовании, представляют, на наш взгляд, научный и практический интерес.
Представленная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Во введении обозначена актуальность, цель, задачи, объект, предмет и методы исследования. В первой главе анализируются современное инженерное образование, проектная деятельность в образовании, практико-ориентированность в инженерном образовании, междисциплинарные инженерные исследования, а также быстро развивающиеся направления промышленности. Основным заключением этой главы является то, что модернизация инженерного образования неизбежна при переходе нашей страны в новую технологическую эпоху.
Вторая глава посвящена разработке практико-ориентированного лабораторного практикума по созданию и управлению роботом-манипулятором. Лабораторная работа была разработана на основе актуальных образовательных технологий, таких как: междисциплинарность - студенты двух направлений подготовки работают над решением одной задачи, проектируют и программируют робота-манипулятора; практикоориентированное образование - при выполнение задач лабораторного практикума студенты приобретают профессиональные навыки и компетенции, например, работа в профессиональных программах компьютерного моделирования, разработка систем управления промышленными роботами; проектное обучение - принцип, предполагающий командное выполнение лабораторного практикума, благодаря чему студенты получают опыт командного взаимодействия, опыт выстраивания коммуникаций.
Третья глава посвящена процессу внедрения разработанной практикоориентированной лабораторной работы на физико-технический факультет Томского государственного университета на следующие направления подготовки: «Прикладная механика» (15.03.03) и «Мехатроника и робототехника» (15.03.06).
В заключении подводятся итоги и обозначаются перспективы исследования. В приложениях представлены: исходный код двух программ по управлению роботом- манипулятором, а также акт о принятии к внедрению результатов магистерской диссертации.
Материалы, содержащиеся в диссертации, могут быть полезны университетам, имеющим инженерные направления подготовки, в процессе трансформации инженерного образования, разработки образовательной модели подготовки инженерных кадров на основе междисциплинарности и интерактивности.
Вызовы внешней и внутренней среды инженерному образованию становятся все острее не только по мере развития техники и технологии, но и в связи с изменением социально-экономических отношений в обществе. Изменяются требования к специалистам, которых готовят вузы для работы в области техники и технологии, как в части их профессиональных компетенций, так и компетенций общекультурных и общепрофессиональных, определяющих способность выпускников организовывать инженерную деятельность, работать в коллективе, иметь определенную широту взглядов, способность видеть, формулировать и организовывать решение инженерных задач.
В попытках найти выход из различных ситуаций, возникающих в связи с растущей неопределенностью в мире и расширяющимися информационными потоками, инженернообразовательное сообщество проявляет различные инициативы. Наблюдается волнообразный, но непрерывный интерес сообщества к таким инициативам и направлениям, как CDIO, междисциплинарность, практико-ориентированность и проектное обучение. Профессиональные стандарты, компетентностный подход и др. свидетельствуют о том, что проблемы касаются, главным образом, не только совершенствования содержания, но и образовательных технологий в инженерном образовании.
Данная работа являлась попыткой применить современные образовательные технологии в процессе подготовки будущих специалистов в области техники и технологий на примере двух инженерных направлений, построить изучение студентами отдельных дисциплин на основе междисциплинарности, практико-ориентированности и проектной деятельности.
В результате работы был разработан практико-ориентированный междисциплинарный лабораторный практикум, на основе которого был создан робот- манипулятор и разработано мобильное приложение по управлению этим роботом. Данная лабораторная работа была апробирована в процессе обучения студентов физикотехнического факультета ТГУ по направлениям подготовки «Прикладная механика» (15.03.03) и «Мехатроника и робототехника» (15.03.06) и рекомендована к внедрению и публикации в виде учебного пособия (акт о принятии к внедрению прилагается - Приложение В).
В попытках найти выход из различных ситуаций, возникающих в связи с растущей неопределенностью в мире и расширяющимися информационными потоками, инженернообразовательное сообщество проявляет различные инициативы. Наблюдается волнообразный, но непрерывный интерес сообщества к таким инициативам и направлениям, как CDIO, междисциплинарность, практико-ориентированность и проектное обучение. Профессиональные стандарты, компетентностный подход и др. свидетельствуют о том, что проблемы касаются, главным образом, не только совершенствования содержания, но и образовательных технологий в инженерном образовании.
Данная работа являлась попыткой применить современные образовательные технологии в процессе подготовки будущих специалистов в области техники и технологий на примере двух инженерных направлений, построить изучение студентами отдельных дисциплин на основе междисциплинарности, практико-ориентированности и проектной деятельности.
В результате работы был разработан практико-ориентированный междисциплинарный лабораторный практикум, на основе которого был создан робот- манипулятор и разработано мобильное приложение по управлению этим роботом. Данная лабораторная работа была апробирована в процессе обучения студентов физикотехнического факультета ТГУ по направлениям подготовки «Прикладная механика» (15.03.03) и «Мехатроника и робототехника» (15.03.06) и рекомендована к внедрению и публикации в виде учебного пособия (акт о принятии к внедрению прилагается - Приложение В).
