Текст книги "Переосмысление инженерного образования. Подход CDIO"

Книга

Лежащая перед вами книга писалась как введение к подходу CDIO. Это практическое руководство, содержащее достаточное количество информации, чтобы познакомить вас с его высокими целями, философией и основными идеями, объяснить исторические и социальные предпосылки. На страницах книги вы найдете ссылки на более подробные ресурсы в виде других книг, материалов семинаров и веб-сайтов.

Общий обзор подхода CDIO продолжится в главе 2. В ней будут подробно описаны причины возникновения подхода, его цели, задачи, педагогические принципы и основные этапы применения. Глава 3 посвящена описанию процессов определения необходимых компетенций инженера и формулирования результатов обучения выпускников инженерных программ. В главах 4–6 более подробно рассмотрены учебный план, рабочее пространство студента и подходы к обучению. Методы оценивания достижений студентов, определения качества программы и система постоянного совершенствования обсуждаются в главах 7–9. Авторы книги также обращаются к истории, чтобы проиллюстрировать необходимость реформы в инженерном образовании и обосновать свое видение его будущего.

Литература

1. Von Kármán T. Dictionary of Scientific Quotations / ed. by A.L. Mackay. L.: CRC Press, 1994.

2. The Royal Charter. The Institution of Civil Engineers. L., 1828. <http://www.ice.org.uk>. Accessed November 11, 2013.

3. Finiston M. Engineering Our Future: Report of the Committee of Inquiry into the Engineering Profession. L.: HMSO CMND 7794, 1980.

4. Gordon B.M. What is an Engineer? Invited Keynote Presentation, European Society for Engineering Education (SEFI) Annual Conference. Germany: University of Erlangen – Nürnberg, 1984.

2. Подход CDIO

Введение

Задача инженерного образования – подготовка выпускников, которые «умеют проектировать и создавать», т. е. обладают инженерными навыками и глубокими знаниями технических основ. Для достижения поставленной цели разработчики и руководители образовательных программ должны непрерывно повышать качество инженерных программ уровня бакалавриата. За последние 30 лет со стороны промышленности и правительства предпринимались неоднократные попытки описать необходимые результаты в терминах атрибутов выпускников инженерных программ. Проанализировав различные мнения, нам удалось сформулировать основную задачу инженерных вузов как подготовку выпускников к планированию, проектированию, производству и применению комплексных инженерных объектов, процессов и систем с высокой добавленной стоимостью в современных условиях командной работы.

Подход CDIO предлагает путь, следуя которому инженерное образование сможет обеспечить решение основной задачи. Подход базируется на трех предпосылках, отражающих его цели, видение и педагогические принципы.

• Для решения основной задачи необходимо акцентировать внимание на формировании базовых технических знаний, рассматривая процесс планирования, проектирования, производства и применения объектов, процессов и систем как контекст инженерного образования.

• Результаты обучения студентов должны быть сформулированы при непосредственном участии заинтересованных сторон и достигаться путем последовательной реализации комплекса учебных мероприятий, имеющих практический характер (т. е. способных погружать студентов в ситуации, с которыми сталкиваются инженеры в своей профессиональной деятельности).

• При правильном подходе к разработке комплекса учебных мероприятий они будут оказывать двойное действие, формируя у студентов необходимые личностные и межличностные компетенции, а также навыки создания объектов, процессов и систем, одновременно стимулируя освоение технических знаний.

В главе 2 подробно обсуждаются главные особенности подхода CDIO, начиная с анализа целей, задач, видения и педагогических принципов, ранее упомянутых в главе 1. Структура первого раздела главы 2 во многом определяет организацию других глав книги. Второй раздел главы 2 посвящен основному принципу похода CDIO, заключающемуся в рассмотрении планирования, проектирования, производства и применения как контекста инженерного образования. В третьем разделе описываются методы адаптации и реализации подхода CDIO при разработке инженерной программы и подчеркивается необходимость рассмотрения образовательной реформы как процесса организационных изменений в университете.

Цели и задачи главы

Цели главы 2:

• представление основной цели, задачи и видения проблемы и педагогических принципов подхода CDIO;

• анализ контекста инженерного образования;

• ознакомление с перечнем результатов обучения CDIO и стандартами CDIO;

• описание механизма применения подхода CDIO.

Подход CDIO

Подход CDIO – один из путей реформирования современного инженерного образования. В его основе лежит несколько ключевых идей, касающихся прежде всего обоснования необходимости реформирования и постановки целей инженерного образования. Центральная идея подхода – видение проблемы и рассмотрение жизненного цикла инженерного процесса как контекста инженерного образования. Реализации подхода способствуют особые педагогические принципы. Более подробно эти ключевые идеи описаны в разделе «Подход CDIO».

Работа над созданием подхода CDIO началась с анализа мнений представителей промышленности о целях подготовки студентов инженерных программ, сформулированных, как правило, в виде списков необходимых атрибутов профессиональных инженеров, включающих предметные знания, соблюдение правил этики, умение эффективно общаться и т. д. Как правило, эти списки отражают лишь потребности компаний и не предлагают анализа ситуации, в связи с чем не приводят к желаемому эффекту. Попытавшись объединить подобные «списки», мы пришли к выводу, что они формировались в первую очередь исходя из базовой и рациональной потребности общества в инженерах.

Таким образом, отправной точкой нашей работы стало формулирование основной задачи инженерного образования. Мы считаем, что выпускник технического вуза должен уметь планировать, проектировать, производить и применять комплексные инженерные объекты, процессы и системы с добавленной стоимостью в современных условиях командной работы.

Другими словами, мы должны готовить инженеров, которые способны проектировать и создавать. Выпускники инженерных программ должны решать инженерные задачи и участвовать в принятии инженерных решений при работе в инженерных организациях, а также быть ответственными и разумными членами общества. Планирование, проектирование, производство и применение – это модель жизненного цикла объектов, процессов и систем. От нее возникло название подхода – CDIO: Conceive, Design, Implement and Operate (планировать, проектировать, производить и применять). CDIO – не единственная существующая подобная модель, но она транслирует общую идею участия инженера во всех этапах жизненного цикла продукции. Под объектами, процессами и системами подразумевается множество решений и результатов работы инженера. Добавленная стоимость понимается нами как дополнительная стоимость, созданная на определенном этапе разработки или производства. Современная командная среда дает возможность выполнения функций инженера в междисциплинарной и международной организации с применением современных технологий. Сформулировав ключевую задачу на основе модели «планирование – проектирование – производство – применение», сформулируем конкретные цели образования.

Поход CDIO направлен на достижение трех общих целей – подготовить выпускников, способных:

1) применять базовые инженерные знания в практической деятельности;

2) руководить процессом создания и эксплуатации технических объектов, процессов и систем;

3) понимать важность и последствия воздействия научного и технического прогресса на общество.

Рассмотрим цели образования, определенные с позиции подхода CDIO, более детально.

Цель 1. Инженерное образование должно быть акцентировано на овладении знаниями технических основ, так как университеты закладывают базу для дальнейшего обучения. Разработанный нами подход ничем не преуменьшает значимость технических основ или потребность студентов в их освоении. Мы лишь подчеркиваем важность практических знаний и концептуальное понимание предметной области. При этом концептуальное понимание – это способность применять знания в разных рабочих ситуациях и условиях [1]. Это не запоминание фактов и определений и не просто применение концептуальных принципов (например, первого закона термодинамики). Концептуальное понимание скорее относится к идеям, имеющим непреходящую ценность. Оно открывает возможности для вовлечения студентов в процесс обучения. В традиционном обучении часто практикуется принцип передачи знаний, при котором студенты осваивают знания, пассивно прослушивая лекции. Подход CDIO ставит целью вовлечение студентов в создание собственного знания и разоблачение своих заблуждений. Переход от устоявшегося принципа передачи знаний к концептуально новому подходу в преподавании трудноосуществим. Мартон и Сэльё назвали обучение по принципу передачи знаний «поверхностным подходом» и противопоставили его более глубокому подходу [2]. В табл. 2.1 представлены адаптированные материалы семинара Мартона и Сэльё, разработанные на основе работ Гиббса [3, 5] и Рэма [4]. Таким образом, подход CDIO, формулирующий цель образования как подготовку студентов, способных освоить глубокое практическое знание технических основ, призван изменить сложившуюся практику преподавания и уйти от обучения по принципу передачи знаний. Этому вопросу посвящена глава 6.

Цель 2. Университеты должны готовить студентов, способных руководить созданием и применением технических объектов, процессов и систем. Таким образом, признается необходимость подготовки студентов к будущей профессиональной деятельности. Потребность создавать и применять новые технические объекты, процессы и системы диктует необходимость формирования личностных и межличностных навыков и умений создавать объекты, процессы и системы. Личностные навыки и качества подразумевают такой образ мышления, как, например, аналитическое рассуждение и решение задач, проведение экспериментов, системное, критическое и творческое мышление. Личностные качества и их атрибуты включают целостность, ответственность, любознательность и желание принимать решения в условиях неопределенности. К межличностным навыкам относятся взаимодействие с другими людьми и работа в команде. Знания и умения, относящиеся к созданию объектов, процессов и систем, включают планирование, проектирование, производство и применение объектов, процессов и систем с учетом требований предприятия, общества и окружающей среды. Более подробно результаты обучения, вытекающие из цели 2, обсуждаются в главе 2 и являются центральной идеей главы 3.

Цель 3. Университеты должны готовить студентов, способных понимать значение и влияние научных и технологических открытий на стратегию развития общества. В решении проблем общество во многом опирается на деятельность ученых и инженеров. Однако необходимо помнить, что научные и технологические открытия неотделимы от социальной ответственности и должны развиваться в направлении технологий устойчивого развития. Выпускники инженерных программ должны ясно осознавать роль науки и технологий в развитии общества, чтобы принять эту ответственность. Цель 3 также учитывает, что часть выпускников не станут профессиональными инженерами и продолжат деятельность в качестве исследователей в промышленных, правительственных и образовательных организациях. Несмотря на различия в интересах, обучение в контексте развития объектов, процессов и систем будет полезно всем студентам. Во‑первых, они извлекут выгоду из углубленного изучения технических основ, на которое указывает цель 1. Во‑вторых, исследователи должны понимать взаимосвязь между их работой и ее влиянием на конечный объект или систему. Успешные исследователи все чаще получают признание не только за сделанные открытия, но и за вклад в развитие общества. Таким образом, студентам, стремящимся стать учеными и исследователями, необходимо понимать, как технология реализуется в объектах и процессах, и уметь оценить и повысить практическую значимость своей работы.

Цели 1 и 2 отражают противоречие, сложившееся в инженерном образовании между необходимостью формирования знаний дисциплинарных основ и инженерных навыков. Многие преподаватели высшей школы соглашаются, что обе цели важны, но расходятся в понимании того, сколько времени необходимо посвятить обучению каждой составляющей. Напряженность в отношениях между необходимостью формирования знаний дисциплинарных основ и инженерных навыков возрастает, если обучение строится по модели передачи знаний с фиксированным максимальным уровнем эффективности передачи и фиксированной продолжительностью обучения. В основе подхода CDIO лежит альтернативный взгляд на образование, позволяющий разрешить сложившееся противоречие. Мы считаем, что освоение дисциплинарных основ может быть усилено в условиях формирования личностных и межличностных компетенций, а также навыков создания объектов, процессов и систем.

Чтобы разрешить ситуацию, нами был выработан системный взгляд на инженерные программы. Подход CDIO предусматривает овладение базовыми техническими знаниями в контексте планирования, проектирования, производства и применения объектов, процессов и систем. Исходя из этого, мы сформулировали следующие постулаты.

• Обучение должно строиться вокруг четко сформулированных целей образовательной программы и результатов обучения студентов, определенных при участии заинтересованных сторон.

• Учебный план программы должен включать взаимосвязанные дисциплины, где обучение предполагает овладение личностными и межличностными компетенциями, а также навыками создания объектов, процессов и систем.

• Учебные мероприятия должны включать практические занятия по разработке и применению объектов и систем в образовательной среде, составляющие основу экспериментального-практического инженерного обучения.

• Помимо практических занятий по разработке и применению объектов и систем, активное и практическое обучение должно быть частью лекционных курсов.

• Система оценивания должна быть комплексной.

Обучение, организованное в соответствии с перечисленными постулатами, будет оказывать двойное воздействие на студентов тем, что способствует глубокому освоению базовых технических знаний и приобретению практических инженерных навыков. Студенты будут обучаться через ряд комплексных учебных мероприятий, часть из них будет носить практический характер, т. е. погружать студентов в ситуации, с которыми сталкиваются инженеры в своей профессиональной деятельности. При правильном подходе к разработке комплексных учебных мероприятий они будут оказывать двойное действие, формируя у студентов необходимые личностные и межличностные компетенции, а также навыки создания объектов, процессов и систем, одновременно стимулируя освоение базовых знаний. В следующих разделах мы подробно остановимся на семи компонентах образовательных программ: контексте, предметных знаниях (основах), результатах обучения, учебном плане, практическом обучении, активном обучении и оценивании.

Планирование, проектирование, производство и применение как контекст инженерного образования. Авторы уверены, что модель «планирование – проектирование – производство – применение» должна служить контекстом инженерного образования. При этом образовательный контекст понимается как среда, способствующая обучению. Иными словами, культура обучения, приобретаемые навыки и формируемые личностные компетенции должны способствовать пониманию того, что роль инженера в обществе – это планирование, проектирование, производство и применение продуктов инженерной деятельности.

Выбор планирования, проектирования, производства и применения в качестве образовательного контекста обусловлен рядом важных причин. Во‑первых, это естественный контекст, т. е. он соответствует профессиональной деятельности инженера. Во‑вторых, в естественной среде CDIO легко сформировать необходимые инженерные навыки. И в‑третьих, данный контекст способствует не только приобретению навыков, но и освоению базовых технических знаний. Применение модели «планирование – проектирование – производство – применение» либо другой модели жизненного цикла инженерной продукции в качестве контекста инженерного образования настолько важно, что стало первым из 12 стандартов CDIO. Этот основополагающий принцип более подробно обсуждается во второй части главы 2.

Необходимо отметить, что жизненный цикл объекта или системы – это контекст, а не содержание инженерного образования. Это означает, что не каждому инженеру необходимо быть специалистом по разработке. Инженер может иметь предметные знания в машиностроении, электроэнергетике или химии, однако эти знания должны быть приобретены в контексте, обеспечивающем освоение навыков и умений, необходимых для проектирования и применения объектов.

Вывод о том, что планирование, проектирование, производство и применение должны стать естественным контекстом инженерного образования, настолько очевиден, что невольно напрашивается вопрос: почему эта модель не является таким контекстом повсеместно уже сегодня? Ответ в том, что в инженерных вузах работают, как правило, не инженеры-практики, а инженеры-исследователи. Они производят новое инженерное знание, следуя редукционистскому подходу, поскольку благодаря ему значительно вознаграждаются усилия отдельных лиц. В инженерной практике, напротив, применяется системный подход для производства инженерных объектов, процессов и систем, при котором важна работа команды. Тем не менее необходимо подчеркнуть, что практический контекст используется для глубокого освоения базовых инженерных знаний. Таким образом, необходимо понимать, что изменение контекста образования основывается на изменении общей культуры образования.

Можно возразить, что такие перемены невозможны в условиях университета. По сути, сложившаяся на текущий момент напряженная ситуация в инженерном образовании многих стран является именно результатом такой трансформации. До 1950‑х годов, а в ряде стран и позже, преподавателями вузов были практикующие инженеры. Образование было сугубо практическим. В 1950‑х годах началась техническая революция, благодаря которой в университеты пришли молодые ученые, а 1960‑е годы XX столетия можно назвать «золотым веком» инженерного образования. Студентов одновременно обучали преподаватели старой практико-ориентированной школы и молодые инженеры-ученые. Однако к 1970‑м годам представители старшего поколения вышли на пенсию и их повсеместно заменили ученые-теоретики. Иными словами, культура и контекст инженерного образования коренным образом изменились и стали научно-ориентированными.

Главное внимание – освоению основ. Целью изменения общей парадигмы инженерного образования было стремление дать студентам теоретические основания для решения неизвестных технических задач в будущем. Ни в коем случае не преуменьшая значимости перехода инженерного образования от практики к науке и признавая огромный вклад научных изысканий, поведенных за последние полвека, необходимо отметить, что следствием такой трансформации стало изменение культуры инженерного образования. Понимание ценности важнейших практических навыков и умений, формирование которых являлось ранее отличительным признаком инженерного образования, резко снизилось. Не случайно в 1980‑х годах многие развитые страны мира стали отмечать изменение качества знаний и недостаточное владение навыками и умениями у выпускников инженерных программ. Когда обеспокоенность, выраженная промышленными компаниями в 1980‑х годах, не возымела никакого действия, реакция промышленников в 1990‑х стала более заметной, о чем уже упоминалось ранее.

Эволюцию состава преподавателей инженерных программ можно проследить и по соотношению учебных мероприятий, направленных на обучение техническим основам и формирование личностных, межличностных и процессуальных навыков, а также навыков создания объектов и систем. Такая эволюция схематично представлена на рис. 2.1. До 1950‑х годов инженерное образование носило преимущественно практический характер, к 1960‑м годам XX века между двумя аспектами установился определенный баланс, а к 1980‑м годам укоренилась новая модель обучения, акцентирующая внимание на освоении базовых технических знаний. Данная тенденция представлена в виде компромиссной кривой, поскольку, в связи с тем что обучение является технологией передачи информации, наличие ограничений в производительности и времени позволяет передать лишь ограниченный объем знаний. Если следовать этой модели обучения, возникает естественный вопрос: что следует убрать из программы, чтобы найти место формированию практических навыков? Мы считаем, что существуют альтернативные модели обучения, отличные от модели передачи информации, которые позволяют избежать очевидного конфликта. Подход CDIO – это попытка создать такое образование, которое позволит осваивать постоянно увеличивающийся объем предметных знаний и одновременно приобретать универсальные навыки, необходимые для успешной инженерной деятельности.

Результаты обучения. Первой конкретной задачей на пути создания модели образовательной программы с применением нового подхода стала разработка и систематизация атрибутов, необходимых современному инженеру. Для решения этой задачи были созданы рабочие группы из преподавателей инженерных программ, студентов и представителей промышленности с целью найти ответ на вопрос: каким набором знаний, практических навыков и характеристик должны обладать выпускники инженерных вузов? Приведем пример содержательного ответа, полученного от участника одной из рабочих групп Рэя Леопольда, бывшего вице-президента и главного технолога подразделения по глобальным телекоммуникационным решениям (Global Telecom Solutions Sector) компании Motorola (пример 2.1). По результатам деятельности рабочих групп и с учетом предложений представителей промышленности, государственных структур и вузов требования к выпускникам университетов были представлены в виде перечня результатов обучения, известного как CDIO Syllabus. Описание и обоснование перечня результатов обучения изложены в главе 3.

Пример 2.1. Необходимые атрибуты выпускников программ CDIO с точки зрения промышленных компаний

По моим оценкам, наиболее важное качество потенциальных выпускников программ CDIO – это способность применять инженерные навыки при наличии ответственного понимания соответствия выполненной работы реальным потребностям общества. Для этого необходима успешная реализация проектов (в широком смысле) с участием инженеров и представителей других профессий. Инженер должен быть способен находить не только технические, но и потенциально успешные экономические решения, уметь оценить стоимость проекта. Выпускник инженерного вуза должен уметь не только генерировать гениальные идеи, но и применять их на практике.

Как часть этого процесса, выпускники инженерных программ должны иметь более полное представление о прибыли, которую они приносят своей организации. Им необходимы развитые личностные компетенции, способность работать в команде с другими инженерами и специалистами из других областей. Профессионализм инженера основан не только на широте и глубине предметных знаний, но и на собственном опыте применения личностных и профессиональных компетенций.

В своих компаниях мы обычно стремимся определить, чтó человек знает, какой вклад он может внести в общее дело, каковы перспективы компании от сотрудничества с ним и насколько человек соответствует корпоративному духу. Часто мы отказываем в работе высококвалифицированным специалистам, которые не могут продемонстрировать личностные качества, необходимые для работы в нашей команде, или чей возможный рост ограничен узкой технической областью. Нам необходимы глубокие технические знания, но они должны находиться в контексте. И нам также необходима способность работать в команде. Во время интервью я часто задаю вопросы, позволяющие понять характер человека, например: «Опишите случай, когда в период учебы вам приходилось:

• решать задачу с коллегой, который не был заинтересован в общем результате;

• повторно оценивать предложенный проект;

• перестраивать свой рабочий график, чтобы уложиться в сроки».

Выпускник программы CDIO должен уметь уверенно отвечать на такие вопросы, а его ответы должны не только иметь прямое отношение к заданному вопросу, но и демонстрировать более широкое понимание проблемы.

Р. Леопольд, корпорация Motorola

Как видно из табл. 2.2, результаты обучения студентов были разделены в CDIO Syllabus на четыре группы.

1. Дисциплинарные знания и понимание.

2. Личностные компетенции и профессиональные навыки.

3. Межличностные компетенции: работа в команде и коммуникация.

4. Планирование, проектирование, производство и применение систем в контексте предприятия, общества и окружающей среды – инновационный процесс.

Эти группы непосредственно соотносятся с основной задачей инженерного образования, определенной ранее, – подготовить выпускников, способных: планировать, проектировать, производить и применять (группа 4) комплексные инженерные объекты, процессы и системы с добавленной стоимостью (группа 1) в современных условиях командной работы (группа 3) и являющихся ответственными и разумными членами общества (группа 2).

Знания, навыки и личностные качества, вошедшие в категории 2–4, описаны как личностные и межличностные навыки, а также навыки создания объектов, процессов и систем. Первая группа «Дисциплинарные знания и понимание» характеризует содержание отдельных инженерных направлений подготовки. Группы 2–4 применимы к любым инженерным программам.

Результаты обучения каждой группы далее были декомпозированы на втором, третьем и четвертом уровнях детализации. Перечень тем для изучения в рамках отдельных дисциплин, приведенный на втором уровне, был согласован с экспертами в каждой предметной области (большинство согласований проводилось в отношении CDIO Syllabus 1.0, в котором отсутствовали пункты 4.7 и 4.8). Для обеспечения системности CDIO Syllabus был жестко привязан к документам, определяющим требования к инженерному образованию и необходимые атрибуты выпускников. Нашим стремлением было представить CDIO Syllabus в виде обоснованного и последовательного набора навыков, основанного на анализе требований заинтересованных сторон к выпускникам инженерных вузов. Более полный документ – CDIO Syllabus 2.0 – приведен в приложении.

CDIO Syllabus может быть использован при планировании результатов обучения лишь как рекомендация или модель. Для каждой образовательной программы необходим собственный перечень результатов обучения, который, возможно, будет сформирован путем адаптации содержания CDIO Syllabus. Результаты обучения студентов по каждой отдельной программе обязательно должны быть согласованы с основными потребителями программы. В инженерном образовании существует четыре основные категории потребителей или заинтересованных сторон: студенты, представители промышленности, преподаватели и общественные организации. Результаты обучения студентов по каждой программе должны отражать интересы всех четырех категорий ее потребителей. Промышленные компании как конечные потребители и работодатели выпускников обладают знаниями относительно необходимых атрибутов будущих выпускников, т. е. являются источником знаний о долгосрочных интересах студентов. Студенты – непосредственные потребители образовательных услуг и арбитры потребительских нужд. Преподаватели университетов обеспечивают передачу и формирование знаний, навыков и личностных качеств и обогащают программу своим видением потребностей студентов. Широкая общественность устанавливает требования к инженерному образованию (в том числе квалификационные требования) и акцентирует внимание на нуждах общества через национальные и аккредитационные стандарты. Таким образом, все четыре категории заинтересованных сторон обладают собственным важным мнением о целях инженерного образования. Для формулирования тем и навыков в терминах измеримых результатов обучения, составивших CDIO Syllabus, нами были предложены способы привлечения потребителей программы с целью определения необходимого квалификационного уровня по каждому разделу CDIO Syllabus. Описанию способов привлечения заинтересованных сторон посвящена глава 3.

Помимо этого, подход CDIO отвечает на вопрос, каким образом можно обеспечить формирование перечисленных навыков у студентов, и обосновывает необходимость радикального изменения структуры программы и содержания дисциплин, образовательной среды, методов обучения и методов оценивания достигнутых результатов.