On the problems of modern engineers' training in the field of materials science: the methodological aspect

Full Text

Введение В условиях информатизации всех сторон общества, развития техники и технологий инженерное образование становится важным ресурсом нацио- нальной продуктивности. Поэтому во всем мире как на государственном уровне, так и в научных кругах большое внимание уделяется совершенство- ванию подготовки инженерных кадров [1-2]. Например, за рубежом суще- ствует большое количество ассоциаций, способствующих развитию инже- нерного образования. Среди них основанная в 1893 году некоммерческая ор- ганизация American Society for Engineering Education (ASEE), Индийское об- щество технического образования The Indian Society for Technical Education (ISTE), Китайское общество по инженерной педагогике The Chinese Society for Engineering Education (CSEE), Австралийская ассоциация инженерного образования the Australasian Association for Engineering Education (AAEE) и другие. Как правило, эти организации объединяют ряд высших учебных за- ведений, научно-исследовательских учреждений, компаний-работодателей, заинтересованных в развитии и совершенствовании инженерного образова- ния. Деятельность ASEE, например, включает не только проведение конфе- ренций, издание периодики по проблемам инженерного образования, но так- же охватывает организацию и финансовую поддержку летних студенческих стажировок, летних школ-семинаров для преподавателей (во время отпуска), обеспечение информационными ресурсами, поддержку научных исследова- ний студентов, докторантов, поддержку выпускников, распространение ин- формации о вакансиях и другие программы. Существуют также специализи- рованные журналы, посвященные инженерной педагогике, на страницах ко- торых преподаватели технических дисциплин могут обсудить проблемы и поделиться педагогическими находками. Например, это Journal of Engineer- ing Education (США), International Journal of Engineering Education (Ирландия) и др. В нашей стране также существует общероссийская общественная орга- низация Ассоциация инженерного образования России [3], издается журнал «Инженерное образование». Кроме того, можно отметить отдельные темати- ческие выпуски журналов социально-гуманитарного направления. Например, журнал «Высшее образование в России» регулярно предоставляет возмож- ность обсудить проблемы инженерной педагогики. И все-таки с учетом име- ющихся проблем, стоящих перед инженерным образованием сегодня, публи- каций, посвященных вопросам подготовки современных инженеров, явно не- достаточно. Особенно мало исследований, посвященных преподаванию тех- нических дисциплин, что подтверждает актуальность исследования проблем подготовки современных инженеров в области материаловедения. Обзор литературы Анализ научных публикаций позволяет заключить, что в информацион- ном обществе высшее образование сталкивается с рядом серьезных вызовов [4]. Среди них прежде всего необходимо отметить рост объемов информации (информационный вызов) и быструю смену технологий (технологический вы- зов). И так как изменения происходят стремительно, существует опасность, что полученные за годы учебы в университете знания, умения и навыки могут оказаться устаревшими. В работе [5] рассматриваются мировые тенденции в развитии образования. Отмечаются такие характеристики высшего образо- вания в России, как слабый акцент на актуальные потребности национальной экономики и отсутствие учета глобальных изменений на рынке труда, сниже- ние качества подготовки рабочих специальностей и недостаточная гибкость образовательных программ. В статьях [6-7] исследуются проблемы инженер- ного образования в России. Среди главных проблем выделены снижение ка- чества абитуриентов, поступающих на технические специальности, низкая востребованность дипломов бакалавров и магистров в промышленности и сельском хозяйстве из-за недостаточной подготовки выпускников к работе в реальных условиях, отсутствие эффективных отношений между вузами и работодателями. Меры, позволяющие повысить в России престиж и каче- ство высшего технического образования, предлагаются в работе [8]. Ряд статей посвящен исследованию того, какими качествами и компетен- циями должен обладать современный инженер. Так, например, в статье [9] подчеркивается, что разработка учебных программ для инженерного образо- вания должна основываться на всестороннем понимании ответственности инженеров, чтобы в дальнейшей их деятельности присутствовало стремление выполнять требования стандартов качества, обеспечивать безопасность и экологичность производства. Размышляя над тем, какими компетенциями должен обладать инженер будущего, авторы статей [10-13] указывают на необходимость развития коммуникационных навыков, способность управлять проектами и выявлять контексты. Среди направлений совершенствования подготовки инженеров можно отметить применение активных методов обучения в учебном процессе [14- 20], необходимость трансдисциплинарности [21-24], целостности [25], направленность на развитие способностей [26-27], привлечение работодате- лей на стадии планирования учебного процесса [28], интеграцию учебного процесса и научных исследований [29]. Подводя итог, можно сделать вывод о том, что в данных условиях усили- вается роль фундаментальной подготовки и формирования общеинженерной культуры молодых инженеров. Материалы и методы В процессе исследования применялись следующие методы: изучение научной и методической литературы, научной периодики, образовательных стандартов, рабочих программ, учебников и учебных пособий, анализ дея- тельности студентов, наблюдение, беседа, обобщение педагогического опыта. Результаты исследования Важное место в подготовке современного инженера занимает материало- ведение. Материаловедение затрагивает широчайший спектр человеческой деятельности, что делает эту область знания актуальной и востребованной в высокотехнологичном обществе. Разработка, создание новых материалов и способов их обработки является основой современного производства, что во многом определяет научно-технический и экономический потенциал госу- дарства. Развитие материаловедения в настоящее время обеспечивает потреб- ности в новых материалах для исследования и освоения космоса, развития электроники, энергетики, оборонной промышленности, то есть отраслей, ко- торые обеспечивают экономическую и национальную безопасность России. Все это требует высокой компетентности современных инженеров в области теоретического и практического материаловедения. То есть уровень развития материаловедения во многом определяет не только функционирование и без- опасность общества в целом, но и затрагивает повседневную жизнь каждого отдельного человека. Поэтому проблемы преподавания данной учебной дис- циплины касаются не только преподавателей, ведущих курсы материаловеде- ния, и студентов, изучающих этот раздел науки, но и общества в целом. Образовательная программа по подготовке магистров направления «Материаловедение и технологии материалов» включает учебную дисциплину «Материаловедение и термообработка современных материа- лов», которая изучается в первом семестре первого курса, и составляет 4 за- четных единицы (144 часа). Целью изучения учебной дисциплины «Материаловедение и термообра- ботка современных материалов» является формирование у студентов способ- ности и готовности давать научно обоснованный прогноз свойств и поведе- ния применяемых в технике материалов. Согласно ФГОС ВО по направлению подготовки 22.04.01 «Материалове- дение и технологии материалов» [5], в результате изучения дисциплины сту- дент должен: знать: классы и типы современных материалов; физические и химиче- ские процессы, протекающие в материалах при их получении, обработке и модификации; современные технологии получения и обработки материалов с заданными свойствами с целью их применения в различных областях и про- гнозирования материалов будущего; уметь: применять знания о получении свойств материалов при разра- ботке и реализации технологических процессов производства и переработки материалов для повышения их надежности и долговечности в условиях экс- плуатации; владеть: методами и средствами диагностики, испытаний, исследова- ния свойств материалов в процессе поиска оптимальных технологических ва- риантов. Так как материаловедение изучает закономерности формирования струк- туры и свойств материалов, для успешного изучения предмета необходимы прежде всего знания в области физики и химии. При плавлении, затвердева- нии, кристаллизации растворов и химических соединений действуют основ- ные законы природы. Поэтому учебная дисциплина «Материаловедение и термообработка современных материалов» опирается на ранее изученные дисциплины бакалаврской программы и используется при изучении специ- альных дисциплин (ТКМ, детали машин, проектирование заготовок, сварка и др.), а также при выполнении курсовых работ и выпускной квалификацион- ной работы. Результатом освоения учебной дисциплины является формирование про- фессиональной компетенции «Способность использовать на практике совре- менные представления о влиянии микро- и наноструктуры на свойства мате- риалов, их взаимодействие с окружающей средой, полями, энергетическими частицами и излучениями» [30]. Курс «Материаловедение и термообработка современных материалов» вклю- чает следующие основные разделы: конструкционные материалы; формирование структуры; механические свойства; конструкционные металлы и сплавы; терми- ческая обработка; теория и практика термической обработки; материалы, приме- няемые в различных отраслях промышленности. Основные разделы формируют общее представление о существующих материалах, их строении, связи внутрен- ней структуры с эксплуатационными свойствами, об общих законах образования различных структур при охлаждении расплавов и при термической обработке, позволяют выявить особенности различных материалов. Практические занятия посвящены освоению таких вопросов, как марки- ровка сплавов железо - углерод; поверхностное упрочнение; цветные сплавы. В настоящее время при подготовке в высшей школе выделяют так называе- мые «твердые навыки» (hard skills) и «мягкие навыки» (soft skills) [31]. «Твердые навыки» являются специфическими техническими навыками, свя- занными с конкретной профессией. «Мягкие навыки» затрагивают социаль- ные и межличностные сферы профессиональной деятельности, такие как коммуникация и лидерство. Несмотря на то, что «мягкие навыки» призваны дополнять «твердые», публикации последних лет свидетельствуют о том, что наибольшее внимание уделяется первым явно в ущерб вторым. При изучении материаловедения необходимо сформировать такие профессиональные навы- ки, которыми должен владеть каждый современный инженер: выбирать материал для изготовления детали с учетом специфики ее эксплуатации; рекомендовать замену материала на более современный, обеспечиваю- щий более эффективные характеристики изделия (облегчение конструкции, увеличение надежности, дальности полета, продление срока службы и т. д.); применять разнообразные методы контроля поведения металлических и неметаллических материалов в работе; разрабатывать новые стали, сплавы, материалы и изучать возможность их упрочения; устанавливать причины преждевременного разрушения конструкций и механизмов и разрабатывать меры по предотвращению неблагоприятных последствий. Образовательные стандарты по материаловедению в какой-то степени охватывают прогресс в этой науке, но недостаточно. Количество аудиторных часов сокращается. Это приводит к большим трудностям преподавания курса с учетом прогресса в современном материаловедении. Кроме того, необходи- мо отметить трудности преподавания, заложенные школой: Материаловедение в школе не изучали так, как, например, физику, хи- мию, математику. Предмет имеет свою терминологию, которая бывшим школьникам совершенно не знакома. Им необходимо напряженно занимать- ся, чтобы разобраться в теме и хоть что-то понять и запомнить. На многие технические специальности зачисляют абитуриентов, кото- рые не сдавали ЕГЭ по физике. В процессе изучения курса материаловедения у них возникают сложности, так как они плохо понимают суть физических процессов. Специфика подготовки к ЕГЭ приводит к тому, что учащиеся в школе нацелены в большей мере на механическое запоминание правильных ответов и готовых алгоритмов. А материаловедение требует понимания процессов, происходящих при получении материалов и их термической обработке, так как невозможно запомнить и держать в голове структуру, свойства, режимы и результаты термической обработки для каждой стали или сплава, которых большое множество. Для того чтобы сформировать необходимые компетенции и донести до студентов основные законы материаловедения, необходимо варьировать и развивать темы предмета, комбинировать формы, средства и методы обуче- ния, чтобы добиться активного включения студентов в учебный процесс. Лекции с использованием наглядных средств обучения, практические занятия с элементами дискуссии, лабораторные занятия с имитацией профессиональ- ной деятельности, работа под руководством преподавателя, работа в малых группах, выполнение заданий исследовательского характера в рамках курсо- вой работы, самостоятельная работа студентов с учебной, научной литерату- рой, ГОСТами и другими документами нацелены на формирование предмет- ных профессиональных навыков и социально-коммуникативных компетен- ций. Например, лабораторная работа «Способы определения марок сталей», в которой сочетаются различные способы получения результатов, состоит из трех этапов [32]. На первом этапе студентам необходимо научиться опре- делять марки сталей посредством наблюдения и определения содержания уг- лерода по искре. Сначала студенты смотрят видео, где показано, как искрят стали с различным содержанием углерода и легирующих элементов. Затем смотрят, как искрят опытные стали, под руководством лаборанта. Определя- ют содержание углерода в образцах и записывают результаты в таблицу. На втором этапе предусмотрена работа в малых группах. От всех опытных об- разцов студенты делают шлифы, изучают их под микроскопом и по структуре определяют содержание углерода в каждом образце. Результаты обсуждают и записывают в общую таблицу. На третьем этапе работа в малых группах сочетается с индивидуальной работой. Все опытные образцы подвергают спектральному анализу, который дает точность результата до 0,00001 %. Ре- зультаты записывают в таблицу. Делают вывод о содержании углерода в ис- следованных сталях и марке стали. Таким образом, за одно занятие студенты получают теоретические знания и практические умения и навыки. Далее необходимо оформить и представить ре- зультаты проделанной работы в требуемой форме. Защиту можно проводить в форме конференции, так что вопросы может задавать не только преподаватель, но и студенты. Наиболее интересные вопросы отмечаются при подведении ито- гов. Таким образом, выполнение лабораторной работы приобретает черты учеб- ного исследования, в процессе которого формируются такие необходимые со- временному инженеру компетенции, как способность и готовность ставить цель и выбирать пути ее достижения, планировать и осуществлять эксперимент, ра- ботать с приборами и материалами, оформлять, представлять и докладывать ре- зультаты выполненной работы, работать в команде. Дефицит времени, отведенного на изучение курса, сложность и объем теоретического материала, подлежащего осмысленному усвоению, необхо- димость формирования большого количества профессиональных навыков в области материаловедения - все это ведет к усилению роли преподавателя, который должен не только владеть содержанием, быть специалистом в дан- ной предметной области, но и обладать эрудицией, владеть педагогическими технологиями, чтобы дать целостную картину состояния и перспектив разви- тия теоретического и прикладного материаловедения, научить студентов применять полученные знания в практической инженерной деятельности. В заключение сформулируем принципы, на которых должно строиться преподавание материаловедения: фундаментальность: формируются общие представления о структуре и свойствах материалов, их влиянии на эксплуатационные свойства изделий; научность: металловедение опирается на фундаментальные законы природы, понимание этих законов - основа научно обоснованного предсказа- ния характеристик материалов; междисциплинарность: понимание принципов и закономерностей вы- бора материалов является фундаментом для изучения широкого спектра тех- нических учебных дисциплин, поэтому целесообразно изучение учебного ма- териала на междисциплинарной основе; целостность содержания, средств и методов обучения [33]; актуальность: постоянное обновление содержания курса с учетом по- следних достижений в данной области; вовлеченность студентов: материаловедение - интересная, но и слож- ная для усвоения область человеческого знания, поэтому в условиях ограни- ченного времени, отведенного на ее изучение, успех возможен только при творческой познавательной активности самих студентов; разнообразие средств и методов обучения: лекции, практические заня- тия и лабораторные работы с показом фрагментов фильмов, изучением опыт- ных образцов, применением наглядных средств обучения. Следует отметить, что указанные принципы универсальны и применимы для совершенствования преподавания широкого круга технических дисци- плин, так как причиной многих проблем подготовки студентов инженерных направлений в области материаловедения являются вызовы, которые возни- кают перед инженерным образованием в условиях высокотехнологичного информационного общества. Заключение При исследовании методических аспектов преподавания материаловеде- ния в подготовке современных инженеров прежде всего были изучены тен- денции и проблемы инженерного образования, отраженные в российских и зарубежных публикациях последних лет. С учетом полученных результатов дан анализ роли и места материалове- дения в структуре профессиональной подготовки современного инженера, сформулирован перечень профессиональных навыков в области материалове- дения, необходимый современному инженеру, рассмотрены средства и мето- ды их формирования в процессе изучения учебной дисциплины «Материало- ведение и термическая обработка современных материалов». Сформулирова- ны принципы, на которых строится преподавание данного раздела науки. Выявлены причины трудностей в изучении материаловедения, заложенные в школьной подготовке абитуриентов. Полученные результаты дают возможность определить направления со- вершенствования процесса преподавания материаловедения и других техни- ческих дисциплин в подготовке студентов инженерных направлений.

About the authors

Natalia V. Kosareva

Yaroslavl State Technical University

Email: nataliacosareva@yandex.ru
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Materials Technology, Standardization and Metrology Department. 88, Moskovskiy Prosp., Yaroslavl, Russia, 150023

Elena V. Kuznetsova

Lipetsk State Technical University

Email: eva351@yandex.ru
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of Applied Mathematics Department. 30, Moskovskaya Str., Lipetsk, Russia, 398600

References

Supplementary files