close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

BobcovShishlakov

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
А. А. Бобцов, В. Ф. Шишлаков
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОДГОТОВКИ
ИНЖЕНЕРНЫХ КАДРОВ В ОБЛАСТИ
КИБЕРФИЗИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Санкт-Петербург
2016
УДК681.5
ББК 32.965
Б72
Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент В. А. Матьяш;
кандидат физико-математических наук,
старший научный сотрудник В. Г. Курбанов
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве научно-практического издания
Бобцов, А. А.
Б72 Повышение качества подготовки инженерных кадров в области
киберфизических систем / А. А. Бобцов, В. Ф. Шишлаков. – СПб.:
ГУАП, 2016. – 79 с.
ISBN 978-5-8088-1164-5
Рассматривается опыт реализации организационно-методических решений по повышению качества подготовки инженерных
кадров на мегафакультете компьютерных технологий и управления
Санкт-Петербургского Национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО) и Институте инновационных технологий в электромеханике и робототехнике Санкт-Петербургского государственного
университета аэрокосмического приборостроения (ГУАП). По мнению авторов и опубликованном в 2016 году рейтингу журнала Times
Higher Education (THE), организационно-методические решения,
принятые в рамках данных структурных подразделений вузов, позволили повысить качество подготовки инженерных кадров в области киберфизических систем и могут быть использованы в других
вузах.
УДК 681.5
ББК 32.965
ISBN 978-5-8088-1164-5
©
©
Бобцов А. А., Шишлаков В. Ф., 2016
Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2016
ВВЕДЕНИЕ
Бурное развитие классических систем автоматического управления в конце XX века получило новый импульс в начале XXI века
в связи с появлением и широким внедрением в них компьютерных
и инфокоммуникационных технологий.
Это привело к появлению нового класса технических систем –
киберфизических систем, понимаемых как совокупность взаимодействующих физических, вычислительных и сетевых компонентов. Назревшая необходимость нового революционного скачка в
технологиях создания интеллектуальных продуктов выражена сегодня в парадигме киберфизических систем, которая декларирует
получение нового качества за счет интеграции вычислительных и
коммуникационных технологий с процессами физического мира
на платформе единого (унифицированного) мультидисциплинарного процесса проектирования.
Новые технологии требуют нового знания и новых специалистов,
поддерживающих и развивающих их. Новые специалисты являются продуктом системы высшего инженерного образования, которая,
в свою очередь, должна оперативно реагировать на революционные
технологические изменения. Подготовка инженеров нового класса
требует существенной модернизации образовательного процесса.
Существующая система образования ориентирована на подготовку более «узких» специалистов и не может обеспечить передачу
новых обширных компетенций для достаточно большой группы будущих разработчиков киберфизических систем. Возникает необходимость на уровне образовательного процесса внедрять долгосрочное прогнозирование областей применения новых технологий. Это
обеспечивает идентификацию задач, с которыми столкнется общество (наука и индустрия) через 10–15 лет, и передовых решений,
которые потребуются для обеспечения развития отраслей нового
технологического уклада. Подобный подход в трансформации образовательного процесса способствует выстраиванию системы опережающей подготовки кадров с учетом тенденций формирования
новых профессий и компетенций, востребованных на рынках будущего в средне- и долгосрочной перспективах.
3
1. МЕГАФАКУЛЬТЕТ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
И УПРАВЛЕНИЯ УНИВЕРСИТЕТА ИТМО
Целью создания мегафакультета компьютерных технологий и
управления (далее мегафакультет) является консолидация научных, образовательных, инженерных и технологических ресурсов
для создания национального центра компетенций международного
уровня в области киберфизических систем (Cyber-Physical Systems,
CPS) 1 как основы для подготовки элитных инженерных кадров в
области проектирования и производства CPS.
Развитие классических систем автоматического управления получило новый импульс в связи с появлением и широким внедрением в них компьютерных и инфокоммуникационных технологий.
Это привело к появлению нового класса технических систем – киберфизических систем, понимаемых как совокупность взаимодействующих физических, вычислительных и сетевых компонентов.
Проектирование CPS требует нового подхода и ориентировано
на создание эффективной системы управления, учитывающей аппаратную реализацию алгоритмов управления, канальные ограничения на взаимодействие сенсоров, исполнительных устройств
и вычислительных компонент, а также влияние внешней среды
функционирования CPS.
Основной задачей мегафакультета является разработка технологий проектирования CPS, а также методов, средств и технических
решений для CPS. Для решения поставленной задачи требуется, с
одной стороны, смещение акцентов в области исследований и подготовке кадров, а с другой стороны, оптимизация структуры крупного научно-образовательного подразделения для консолидации научных, образовательных, инженерных и технологических ресурсов.
Выдающиеся достижения Университета ИТМО в победах на мировых первенствах по программирования хорошо известны, как в России, так и за рубежом. Однако за этими заметным и блестящими успехами студентов стоит тяжелейшая работа содружества ученых, педагогов, управленцев и представителей индустрии. Выбранная в конце
90-х годов научно-технологическая и образовательная тематика, связанная с разработкой технологий программирования, позволила сде1 По определению Национального Института Стандартов и Технологий киберфизические или «умные» системы (Cyber-Physical System, CPS) – сеть взаимодействующих физических и вычислительных компонентов, проектируемая как единая
система, организованная в рамках единой базовой киберфизической модели и адаптирующаяся к изменениям внешнего мира.
4
лать Университет ИТМО мировым лидером в области IT. Однако лавинообразный рост количества CPS, обусловил новые вызовы, включая
возрастающие требования к безопасности и надежности, связанные с
хаотическим взаимодействием CPS, способным привести к техногенным катастрофам и человеческим жертвам. Данные новейшие глобальные вызовы находятся в фокусе решения очередных задач для
повышения качества подготовки элитных инженерных кадров.
Обладая необходимыми компетенциями для решения практикоориентированных и научно-технологических задач в области IT,
Университет ИТМО развивает актуальное направление, связанное
с созданием новых принципов проектирования CPS. Глобальность
решаемых мегафакультетом задач обусловлена тем, что CPS интегрируют в себе методы технической кибернетики, компьютерные и
программные технологии, высокотехнологичные исполнительные
механизмы и сенсоры и должны обладать способностью к самообучению и адаптации в условиях неопределенности и изменяемости
среды их функционирования.
Все перечисленные компетенции являются базовыми для мегафакультета, обеспечивающего подготовку инженерных кадров в области киберфизических систем, а их развитие и переформатирование с
целью занятия лидерских позиций Университета ИТМО соответствует глобальным научно-технологическим вызовам в области CPS.
Интеграция в рамках мегафакультета образовательного и научно-исследовательского процессов в области CPS обеспечивает подготовку элитных инженерных кадров. Отличительными особенностями нового класса инженеров является сочетание компетенций
как в области компонентной базы технических систем, так и передовых информационно-коммуникационных технологий.
Важную роль в практико-ориентированной подготовке кадров
играют базовые магистерские кафедры, входящие в состав мегафакультета. Они способствуют передаче результатов деятельности
мегафакультета в высокотехнологичные организации реального
сектора экономики, малые инновационные предприятия, R&Dцентры крупных технологических корпораций. Трансфер знаний
в области CPS от Университета ИТМО к промышленным организациям становится одной из первоочередных задач мегафакультета.
Задачи мегафакультета международного уровня
Создание опережающего научно-технического задела с участием партнеров сетевого международного научного сотрудничества
(University of California in Los Angeles, США; Eindhoven University
5
of Technology, Нидерланды; Karlsruhe Institute of Technology,
Германия; Aalto University of Technology, Финляндия; Luleå
University of Technology, Швеция, нацеленного на преодоление
глобальных технологических барьеров при проектировании CPS,
таких как: надежное управление CPS в условиях вычислительных
и коммуникационных ограничений; навигационное обеспечение
CPS; технологии проектирования программного обеспечения для
CPS; самоорганизация и интероперабельность CPS; обеспечение
информационной безопасности сетевых систем управления CPS.
Задачи мегафакультета национального уровня
• Подготовка элитных инженерных кадров в области проектирования и производства CPS для отечественной индустрии.
• Разработка и внедрение совместно с ведущими индустриальными партнерами (Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос», ЗАО Диаконт, Концерн «Научно-производственное объединение «Аврора», ОАО «Объединенная энергетическая компания», ОАО «Ленэнерго», ОАО «Светлана», ОАО «ЛОМО»,
ПАО «Техприбор», Концерн ПВО «Алмаз-Антей», Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С. П. Королева; Концерн «Гранит-Электрон») конкурентоспособных технологий проектирования
и управления интеллектуальными роботизированными ячейками,
системами технического зрения и автоматизированного контроля
качества производства, системами локальной навигации в экстремальных условиях, высокоточными мехатронными устройствами и
цифровыми прецизионными электроприводами.
Задачи мегафакультета университетского уровня
• Концентрация организационных, научных, образовательных,
финансовых и интеллектуальных ресурсов для создания центра
превосходства национального уровня в области проектирования и
производства CPS.
• Трансформация образовательного процесса с целью подготовки элитных инженерных кадров мирового уровня.
• Создание и реализация практических механизмов внедрения
и коммерциализации новых продуктов – результатов научных исследований.
• Обеспечение финансовой устойчивости научных исследований
в области проектирования и управления CPS за счет привлечения
НИОКР от индустриальных заказчиков, выполнения научно-исследовательских работ на конкурсной основе (в рамках грантов и
6
конкурсов ФЦП, РНФ, РФФИ), а также получения доходов от экспорта образовательных услуг.
1.1. Общая информация о мегафакультете
Созданный в 2015 году мегафакультет компьютерных технологий и управления включает в свою структуру три факультета (систем
управления и робототехники; программной инженерии и компьютерной техники; информационной безопасности и компьютерных технологий); пять международных научных лабораторий («Лаборатория
нелинейных и адаптивных систем управления», «Защита криптосистем от атак по сторонним каналам», «Интеллектуальные методы обработки информации и семантические технологии», «Силовая электроника и автоматизированный электропривод», «Интегрированные
системы ориентации и навигации»); центр коллективного пользования прототипирования и промышленного дизайна. В составе трех факультетов функционирует 21 кафедра, включая 10 базовых магистерских кафедр, созданных при высокотехнологичных предприятиях и
ведущих научно-исследовательских институтах РАН.
В структуру мегафакультета (рис. 1.1) включены факультеты,
международные научные лаборатории (МНЛ), центры, студенческое бюро. Система управления мегафакультетом представлена коллегиальными органами и административными подразделениями:
• Наблюдательный совет, в состав которого входят представители мегафакультета, органов власти и индустрии.
• Международный совет, состоящий из ведущих ученых и представителей промышленности по приоритетным направлениям развития мегафакультета.
• Ученый совет, состоящий из ведущих научно-педагогических
работников и обучающихся мегафакультета, обеспечивающий коллегиальность общего руководства.
• Дирекция мегафакультета, обеспечивающая эффективное администрирование образовательных, научных и инновационных
процессов.
• Офис проектного управления, обеспечивающий перспективное
прогнозирование, планирование и эффективное развитие мегафакультета с учетом глобальных научно-технологических вызовов.
Мегафакультет обладает достаточно высокой степенью автономности в формировании научных и образовательных программ, формировании образовательных стандартов, привлечении и распределении финансовых и материальных ресурсов.
7
8
Рис. 1.1. Структура мегафакультета
Кадровый потенциал мегафакультета включает свыше 400 сотрудников, в числе которых один академик Российской Академии
наук, два IEEE Fellow, один IFAC Fellow и более 60 профессоров.
Свыше 90% научно-педагогических работников (НПР) мегафакультета имеют ученую степень. Средний возраст сотрудников 38
лет. Среди студентов и аспирантов мегафакультета – два победителя третьих международных олимпийских игр гуманоидных роботов «Кубок Тайджин» и «Студенческого инновационного конкурса-выставки роботов в рамках Ассоциации технических университетов России и Китая»; пять призеров крупнейших в России
студенческих командных соревнований по информационной безопасности RuCTF и крупнейших международных соревнований
CodeGate, проходящих в Сеуле (Южная Корея).
В рамках научных и студенческих проектов и обменов мегафакультет активно сотрудничает с зарубежными университетами,
среди которых можно выделить: Варшавский технологический
университет (Польша), Технический Университет г. Эйндховен
(Нидерланды), Хельсинкский институт информационных технологий (Финляндия), Университет Aalto (Финляндия). Мегафакультет
обладает мощным научным и академическим потенциалом, опирающимся в своей деятельности на эффективное взаимодействие
со многими научными и производственными организациями, совместно с которыми созданы и успешно функционируют базовые
магистерские кафедры Университета ИТМО. Высокий потенциал
практического использования результатов научно-исследовательской деятельности и коммерциализации проектов подтверждается
наличием выстроенного вокруг мегафакультета «инновационного
пояса», состоящего из успешно развивающихся субъектов малого
бизнеса, в первую очередь – стартап-компаний, созданных выпускниками Университета ИТМО.
Подразделениями мегафакультета в период с 2013 по 2015 годы
было реализовано и/или реализуется более 70 НИОКР на сумму
свыше 1 млрд рублей. Основными источниками финансирования
НИОКР являются средства, получаемые по договорам с предприятиями высокотехнологичного сектора; гранты РФФИ; гранты Президента; гранты РНФ; федеральные целевые программы; проекты,
финансируемые в рамках реализации Постановления Правительства РФ от 09.04.2010 г. № 218 и Постановления Правительства РФ
от 09.04.2010 г. № 220.
Основными партнерами и потребителями результатов образовательной, научной и инновационной деятельности мегафакультета яв9
ляются высокотехнологические компании, ведущие бизнес в области
ИКТ-систем и Internet-of-Things, компании, связанные с производством робототехнических систем и производственного оборудования.
Мегафакультет обладает развитой научно-исследовательской инфраструктурой, обеспечивающей проведение научных исследований международного уровня и подготовку высококвалифицированных инженерных кадров. Общая стоимость используемого оборудования превышает 700 млн рублей, включая учебно-лабораторный
комплекс «Электрические машины и автоматизированный электропривод» LUCAS NULLE (LN); 3D-принтер для полимерных материалов, 3D Systems, ProJet 3510 SD; комплекс оборудования для сборки, настройки и испытаний электронных плат и узлов, в том числе:
автомат поверхностной установки компонентов электронных плат
M10; автоматизированный принтер трафаретной печати паяльной
пасты В70; установка рентгеновского контроля качества монтажа
электронных компонентов XT V 130; роботизированные системы и
комплексы для проведения лабораторных работ и практико-ориентированных исследований (в том числе шестиосевой манипулятор
Kawasaki KF121E; робототехническая ячейка Festo на базе манипулятора Mitsubishi RV-3SDB; промышленные роботы-манипуляторы
FS06N D71, Fanuc ArcMate 100iC и Fanuc R-2000iB/165F).
1.2. Развитие образовательной деятельности мегафакультета
как инструмент повышения качества подготовки
элитных инженерных кадров
Подготовка элитных инженеров нового класса требует существенной модернизации образовательного процесса, в основе которой лежит:
• ориентация на опережающую подготовку специалистов с учетом новых перспективных направлений в области проектирования
и разработки CPS;
• преодоление существующих разрывов в подготовке кадров за
счет тесной кооперации университета и индустрии;
• существенное повышение качества образования за счет внедрения совместных образовательных программ и их международной
аккредитации;
• рост конкурентоспособности выпускников и т. д.
Уже сегодня на уровне мегафакультета внедряется долгосрочное прогнозирование областей применения интеллектуального
управления CPS.
10
Работа по подготовке кадров начинается уже в школах с целью
развития инженерных компетенций у школьников, профориентации и вовлечения детей и молодежи в инженерные профессии будущего, повышения их уровня подготовки по профильным предметам.
Это обеспечивает высокий средний балл ЕГЭ, который составил в
2016 году по направлениям подготовки, реализуемым мегафакультетом, 85,0 баллов; в 2017 году должен быть не менее 88,0 баллов (для
справки: в 2015 году средний балл по мегафакультету был равен 82,2
балла). В конечном счете, высокий средний балл ЕГЭ должен быть
залогом повышения качества специалиста-выпускника вуза.
Практико-ориентированные образовательные задачи социально-экономического и научно-технического развития РФ в области
создания CPS обусловлены подготовкой мультидисциплинарных
специалистов на различных позициях с компетенциями в разных
областях науки, технологий, инженерии и математики – в сочетании с возможностью расширения и применения своих знаний в
междисциплинарной области.
Существующая система образования ориентирована на подготовку более «узких» специалистов и не может обеспечить передачу
такого рода компетенций для достаточно большой группы будущих
разработчиков CPS. В связи с этим необходимо:
• совершенствовать механизмы развития знаний, ориентированные на постоянный рост объема и расширение направленности
знаний, охватывающие не только инженерный персонал, но и более широкий круг специалистов, особенно административного профиля, эксплуатационников и конечных пользователей CPS;
• обеспечить баланс теоретических и практических знаний для
участников процесса создания CPS, охватывая как перспективные
инженерные технологии и инструменты, так и базовые теории, модели и методы, лежащие в основе развития CPS;
• осуществлять подготовку квалифицированных специалистов
будущего, обладающих комплексом компетенций, достаточным
для обслуживания в перспективе большого числа используемых
CPS, учитывая сложность и гетерогенный характер этих систем.
Практико- и проблемно-ориентированное обучение базируется
на новых совместных образовательных программах магистратуры
и аспирантуры исследовательской и инженерной направленности,
в том числе на английском языке, в рамках пяти научных направлений, реализуемых на мегафакультете (см. раздел 1.3).
Партнеры мегафакультета по международным образовательным программам – ведущие зарубежные вузы, включая Eindhoven
11
University of Technology (Нидерланды), Ecole Centrale de Lille (Франция), Национальный центр научных исследований (Supelec, Франция)
и др. Совместно с индустриальными партнерами (в том числе ЗАО
«Диаконт», ОАО «ЛОМО», ПАО «Техприбор») проводится модернизация методики практико-ориентированной подготовки инженерных
кадров для высокотехнологичного сектора экономики в процессе создания и организации серийного производства конкурентоспособного
продукта. Кроме того, расширена линейка совместных образовательных программ, обеспечивающих привлечение и использование ресурсов индустриальных партнеров, а также модернизацию образовательных программ с учетом требований реального сектора экономики.
Интеграцию образовательного и научного процессов для усиления инженерной подготовки студентов мегафакультета обеспечивает также созданное в 2010 году студенческое конструкторское
бюро «Информационные технологии и системы управления в робототехнике». В нем поддерживается практика проведения исследований студентов-бакалавров и магистров разных курсов Университета ИТМО, ориентированных на реализацию своих инженерных и
научных интересов в области робототехники.
Получает развитие международная образовательная деятельность.
Результатом данной деятельности уже стало формирование международного консорциума для совместного участия в программе Эразмус
Плюс – Стратегическое партнерство с предполагаемым бюджетом
300 000 евро на 2 года. В мае будет подана заявка на реализацию проекта «Разработка методологии междисциплинарного образовательного модуля на пересечении роботики и сенсорики «Интернет вещей».
Усиление научно-педагогического состава мегафакультета реализуется и будет продолжено посредством комплекса мер: открытые конкурсные процедуры на замещение должностей преподавателей и исследователей; приглашение ведущих мировых специалистов на работу в международные научные лаборатории и кафедры;
стажировки сотрудников мегафакультета в ведущих мировых научно-образовательных центрах.
1.3. Повышение качества подготовки студентов путем развития
научных исследований и разработок мегафакультета
Ведущие научные и академические школы мегафакультета начали формироваться в первой половине XX века. В начале 90-х,
отвечая на вызовы, связанные с переходом общества в информаци12
онную эпоху, Университет ИТМО правильно и своевременно определил ключевые направления развития: технологии программирования, встроенные системы реального времени, распределенные
вычислительные системы, техническая кибернетика, автоматизированные системы управления техническими и технологическими процессами и объектами. Новые требования, сформированные
в начале XXI века и связанные с изменением приоритетов национальных интересов многих развитых стран, обусловили новейший
научно-технологический вызов, требующий развития Университета. Вся история развития научных направлений и направлений
подготовки кадров, входящих в мегафакультет, показывает их опережающий характер развития, дающий соответствующий импульс
для формирований тематик и промышленных разработок в академических и производственных структурах.
Создание мегафакультета является очередным важным шагом,
определяющим опережающую роль университета в формировании
прорывных технологий XXI века. Тематика CPS пока еще ближе к
университетским лабораториям, чем к промышленности, поэтому
именно сейчас необходимо сосредоточить усилия в университетской
среде, чтобы осуществить существенный прорыв в данной области
как при проведении научных исследований, так и при подготовке
высококвалифицированных кадров. Уже в ближайшие годы трансфер знаний в области CPS от университетов к промышленным организациям станет в ряд первоочередных задач. Этому трансферу будут
способствовать базовые магистерские кафедры Университета ИТМО,
входящие в структуру мегафакультета, и иные форматы тесного сотрудничества с компаниями и промышленными партнерами, а также создание малых инновационных предприятий в целях внедрения
(практического применения) результатов научной деятельности мегафакультета разработок малых инновационных предприятий.
В период 2016–2020 годов осуществляются масштабные научные исследования, нацеленные на создание новых методов и технологий управления в CPS. Проводимые научные и ориентированные
на внедрение в индустрию исследования должны опосредованно
повысить публикационную активность подразделений мегафакультета, поскольку они нацелены на решение актуальных глобальных задач, интересующих ученых всего мира и, как следствие,
имеющие повышенный интерес в редакциях высокорейтинговых
журналов и организаторов крупнейших конференций.
Выбранная в соответствии с глобальными вызовами тематика управления в киберфизических системах привлекает в Уни13
верситет ИТМО лучшие научно-педагогически кадры, поскольку
осуществление всех видов деятельности, связанных с прорывными и крайне актуальными мировыми задачами обеспечивает, вопервых, индивидуальное развитие научных исследователей, а вовторых, их хорошее финансовое обеспечение, поскольку именно
на развитие актуальных областей для мировой экономики были и
будут нацелены, как государственные субсидии, так и гранты индустриальных заказчиков.
В то же время для проведения актуальных исследований и их
масштабируемости необходимо обеспечение научных лабораторий студенческими и аспирантскими кадрами. Планируется, что
выбранная траектория развития, соответствующая глобальным
вызовам как самого мегафакультета, так и подразделений в него
входящих, получит большую заинтересованность у поступающих
в Университет ИТМО студентов и аспирантов, желающих получить
качественное и конкурентное образование, обеспечивающее им
большие жизненные перспективы.
Наряду с многочисленными преимуществами информационной
революции сегодня обозначились и фундаментальные технологические проблемы. Это, прежде всего, неприемлемо большие затраты общества на обслуживание колоссального числа слабосвязанных автоматизированных систем «начального уровня интеллектуальности» и
радикальное несоответствие достигнутой производительности труда
разработчиков продуктов эпохи информационного общества стремительно растущим потребностям этого общества. Назревшая необходимость нового революционного скачка в технологиях создания интеллектуальных продуктов выражена сегодня в парадигме киберфизических систем, которая декларирует получение нового качества за
счет интеграции вычислительных и коммуникационных технологий
с процессами физического мира на платформе единого (унифицированного) мультидисциплинарного процесса проектирования.
Глобальные научно-технологические вызовы определены рядом
международных и национальных документов, в том числе CyberPhysical European Roadmap & Strategy (National Science Foundation
NSF 15-541, EU FP7-ICT), the Work Programme 2014/15 of the
ICT area under the Horizon 2020 pillar «Leadership in enabling and
industrial technologies» и др. В рамках этих документов укрупненно формулируются следующие вызовы:
• отсутствие эффективных инструментов междисциплинарного
взаимодействия и интегральной системной теории, формирующей
фундаментальный базис CPS;
14
• отсутствие установившегося комплекса знаний о том, как
адекватно моделировать все аспекты CPS на требуемом уровне абстракции, эффективно рассуждая о физических, технических или
организационных свойствах CPS;
• отсутствие глобальной функциональной совместимости и интероперабельности компонентов CPS, в том числе на уровне протоколов связи и интерпретации данных;
• обеспечение большей автономности CPS за счет встраивания механизмов прогнозирования поведения, адаптации и самооптимизации;
• кибербезопасность, заключающаяся в обеспечении функциональной и информационной защищенности CPS.
Одним из важнейших глобальных вызовов в CPS, интегрирующим представленные, является создание методов и технологий
«умного» или адаптивного управления, обеспечивающего долговременное успешное функционирование и саморазвитие систем
в условиях недетерминированной (изменяющейся) окружающей
физической и техногенной среды, а также накладываемых ими
ограничений, включая пропускную способность каналов связи, доступные вычислительную мощность и энергетический ресурс.
Основными научно-техническими задачами мирового уровня
являются:
• разработка методов обеспечения высокой эффективности и робастности управления CPS в реальном времени;
• создание теоретических основ и технических средств взаимодействия и реконфигурирования многочисленных независимых
распределенных элементов CPS в условиях изменений их внутренних состояний и окружающей среды;
• разработка технологии бесшовной интеграции аппаратно-программных вычислительных платформ, коммуникационных каналов и алгоритмов управления;
• создание средств автоматизированной инкрементной верификации CPS;
• обеспечение интероперабельности платформ, методов и инструментов CPS в широком диапазоне аспектов;
• создание комплексной модели, механизмов и технологий функциональной и информационной надежности и безопасности CPS в условиях нового уровня интеграции физического и киберпространства,
естественных и преднамеренных внешних и внутренних воздействий;
• разработка технологий автоматизации процессов проектирования программного обеспечения ответственных киберфизических
систем с использованием машинного обучения.
15
При этом ключевая роль отводится именно теоретическим основам, включая моделирование, управление, обработку сигналов,
верификацию и оптимизацию.
Ответом на перечисленные глобальные вызовы будет формирование на базе мегафакультета (к 2018 г.) национального центра
превосходства в области разработки интеллектуальных методов
управления киберфизическими системами, ориентированных на
преодоление существующих технологических барьеров, связанных с надежностью управления CPS в условиях вычислительных и
коммуникационных ограничений, высокоточным навигационным
обеспечением CPS, эффективными технологиями проектирования
программного обеспечения для CPS, самоорганизацией и интероперабельностью CPS, информационной безопасностью сетевых систем управления CPS. Для этого формируется план проведения исследований по следующим четырем направлениям.
1. Адаптивное управление CPS в условиях вычислительных и
коммуникационных ограничений. Данный научный проект нацелен на: получение новых методов адаптивного управления динамическими системами с запаздыванием в условиях неопределенности
математических моделей, неполной информации о переменных состояния, а также ограниченной пропускной способности каналов
связи между элементами (агентами) CPS; разработку методов подавления возмущающих воздействий; синтез методов структурнопараметрической оптимизации аппаратной части системы управления, включающей вычислительные, коммуникационные и исполнительные устройства.
2. Интеллектуальное конфигурирование и интероперабельность CPS. Данный научный проект нацелен на: построение методологии контекстно-управляемого многоуровневого конфигурирования и самоконфигурирования CPS; семантическую интероперабельность элементов CPS и протоколы их взаимодействия;
генерацию спецификаций для построения моделей и алгоритмов
управления низкого уровня.
3. Навигационное обеспечение CPS. Данный научный проект нацелен на: интегрированные навигационные системы, обеспечивающие надежное высокоточное решение задач навигации и ориентации в экстремальных условиях при ограниченной доступности или
отсутствии спутниковых данных; помехоустойчивые алгоритмы
комплексной обработки измерительной информации; методы повышения помехоустойчивости приемников спутниковых навигационных систем; модели и конструкции микромеханических инер16
циальных датчиков для использования в экстремальных условиях
эксплуатации.
4. Проактивные системы повышения безопасности управления
CPS. Данный научный проект нацелен на: разработку методов и
алгоритмов согласования (координации) моделей, входящих в описание интегрированных интеллектуальных систем поддержки принятия решений для проактивного управления безопасностью CPS
на модельно-алгоритмическом, программном и информационном
уровнях детализации; комбинированные методы оперативного синтеза иерархическо-сетевых структур систем поддержки принятия
решений для проактивного управления безопасностью CPS в рамках
управления сложными организационно-техническими объектами.
Далее представлено краткое описание каждого из проектов.
1. Интеллектуальное конфигурирование и интероперабельность данных CPS. Взаимодействие кибер- и физической составляющих в рамках киберфизических систем (CPS) является ключевым аспектом. Следовательно, одной из фундаментальных проблем при построении киберфизических систем является их гетерогенная и динамическая природа, которая проявляется на уровнях
аппаратных платформ (в том числе сенсоров, актуаторов и других
устройств), каналов связи и сетей передачи данных, программных
приложений. Взаимодействие элементов всех этих уровней и подсистем CPS должно быть организовано и согласовано так, чтобы
при возникновении изменений как в окружающей среде, так и в
самих CPS, последние могли бы к ним адаптироваться, меняя свою
конфигурацию. Для управления большим массивом данных, генерируемых разнообразными устройствами в CPS, необходимы модели и методы, обеспечивающие интероперабельность и возможность
многократного использования этих важнейших на сегодняшний
день ресурсов. Указанные факторы требуют, с одной стороны, развития моделей и методов конфигурирования и самоконфигурирования таких систем и их элементов, а с другой – методов онтологического инжиниринга и автоматических рассуждений для CPS,
а также интеллектуальных средств их моделирования. В рамках
проекта решаются следующие задачи:
• построение методологии контекстно-управляемого многоуровневого конфигурирования и самоконфигурирования CPS;
• семантическая интероперабельность элементов CPS и протоколы их взаимодействия;
• разработка онтологий и семантическое аннотирование данных
в CPS;
17
• генерация спецификаций для построения моделей и алгоритмов управления низкого уровня.
2. Адаптивное управление киберфизическими системами в условиях вычислительных и коммуникационных ограничений. Проект ориентирован на разработку эффективных методов адаптивного
управления сложными динамическими системами с неизвестными
и нестационарными параметрами при частичном измерении состояния, запаздываний и возмущающих воздействий, что является одним из основных глобальных вызовов при проектировании CPS. Алгоритмы управления такими системами должны учитывать и адекватно реагировать на всевозможные отклонения внутренних и внешних условий. С учетом сложности CPS появляется задача проектирования современных систем управления на базе высокоэффективных
исполнительных устройств технической кибернетики, современных
вычислительных и коммуникационных систем, что накладывает дополнительные ограничения (квантование информации, ограничения
по тактовой частоте и объему оперативной памяти контроллера). Для
многих сложных технических систем (вакуумные насосы, двигатели внутреннего сгорания и т.п.) либо невозможно поставить датчик,
либо передаваемый ими сигнал будет чрезмерно зашумлен.
В результате осуществления проекта должны быть получены
следующие результаты:
• новые методы адаптивного управления динамическими системами с запаздыванием в условиях нестационарных возмущающих
воздействий, неопределенностях математических моделей, неполной информации о переменных состояния, наличии ограничений
на производительную мощность вычислительных устройств, ограниченной пропускной способностью каналов связи между элементами (агентами) CPS;
• методы подавления возмущающих воздействий при условии
их параметрической и сигнальной неопределенности;
• методы структурно-параметрической оптимизации аппаратной части системы управления, включающей вычислительные,
коммуникационные и исполнительные устройства.
3. Навигационное обеспечение киберфизических систем. Проект
нацелен на разработку помехоустойчивых малогабаритных средств
и эффективных методов решения задач ориентации и навигации
для киберфизических систем различного назначения. Разработка
актуальна при решении задач навигации в экстремальных условиях температурных и механических воздействий. В частности, при
освоении арктических территорий и навигации в высоких широ18
тах, при решении которой, в том числе, возникает и проблема точного определения курса. Другой задачей является определение параметров навигации и ориентации при ограниченной доступности
или отсутствии спутниковых сигналов за счет использования инерциальных и альтернативных измерителей. Для решения перечисленных задач необходимо создание инерциальных датчиков и систем для использования в экстремальных условиях эксплуатации,
синтез помехоустойчивых алгоритмов комплексирования измерительной навигационной информации, позволяющих эффективно
решить задачу точного определения координат и курса объекта, в
том числе и в условиях городской застройки. В ходе выполнения
проекта будут получены следующие результаты:
• интегрированные навигационные системы, обеспечивающие
надежное решение задач навигации и ориентации в экстремальных
условиях, при ограниченной доступности или отсутствии спутниковых данных, том числе, и в высоких широтах;
• помехоустойчивые алгоритмы комплексной обработки измерительной информации с адаптацией к неопределенностям моделей сигналов;
• методы повышения помехоустойчивости приемников существующих и перспективных спутниковых навигационных систем;
• модели и конструкции микромеханических инерциальных датчиков для использования в экстремальных условиях эксплуатации;
• методология проектирования интегральных схем с низким
уровнем шума для микромеханических датчиков.
4. Проактивные системы повышения безопасности управления
CFS. Проект нацелен на получение конкурентных на мировом уровне решений в области проектирования, создания, эксплуатации и
модернизации модельно-алгоритмического, технического, информационного и программного обеспечения комплексных систем безопасности и отказоустойчивости CFS. В основу построения разрабатываемых в проекте проактивных систем (ПАС) повышения безопасности
управления киберфизическими объектами (CPS) следует положить
концепцию проактивного мониторинга и управления, в рамках которой в дополнение к традиционно используемому на практике реактивному управлению, ориентированному на оперативное реагирование и последующее недопущение инцидентов, предполагается
предотвращение возникновения инцидентов за счет создания принципиально новых прогнозирующих и упреждающих возможностей
при формировании и реализации управляющих воздействий. В результате выполнения исследований будут разработаны:
19
• методологические основы создания и использования интегрированных интеллектуальных систем поддержки принятия решений (ИИ СППР) для проактивного управления безопасностью
CPS в сложных условиях окружающей среды, включающие в себя
концептуальное описание указанных процессов, разработка и обоснование принципов и подходов к созданию перспективных СППР,
общих и специальных требований к облику;
• методы и алгоритмы согласования (координации) моделей,
входящих в полимодельное описание ИИ СППР для проактивного
управления безопасностью CPS на концептуальном, модельно-алгоритмическом, программном и информационном уровнях детализации;
• комбинированные методы и алгоритмы оперативного синтеза
иерархическо-сетевых структур СППР для проактивного управления безопасностью CPS в рамках АСУ сложными организационнотехническими объектами (СОТО);
• экспериментальные образцы ИИ СППР для решения задач
многовариантного прогнозирования, комплексного планирования
и управления безопасностью CPS в штатных и заданных условиях
применения.
Научно-технологические (в том числе фундаментального характера) задачи социально-экономического и научно-технического развития РФ прежде всего связаны с заметным повышением спроса на
продукты и услуги в области интеллектуальных алгоритмов управления в CPS, создающих качественно новые условия для повышения эффективности современных производственных процессов и
повышения качества жизни граждан. В настоящее время данная область формируется в России за счет применения технологии RFID,
использованию предустановленного оборудования GPRS/ГЛОНАСС
на транспортных средствах, строительства умных парковок и т. п.
Решение задач в области адаптивности, отказоустойчивости,
безопасности обеспечивает серьезные конкурентные преимущества
для высокотехнологичных отраслей экономики России. В краткои среднесрочном временном горизонте наиболее важными областями применения интеллектуальных методов управления в киберфизических системах являются наиболее важные объекты всех
министерств и ведомств, а также личные информационно-телекоммуникационные устройства граждан РФ. Рассматривая развитие
алгоритмов в долгосрочной перспективе, можно сделать вывод, что
использующие их продукты и услуги будут востребованы практически во всех видах человеческой деятельности, включая их при20
менение для персонального использования, и с внедрением в коммерческий сектор экономики их роль будет постоянно возрастать.
Как указывалось ранее, одним из основных вызовов в CPS является создание методов и технологий «умного» или адаптивного
управления. Университет ИТМО обладает всеми необходимыми
компетенциями для встраивания в проблематику CPS, а их развитие и переформатирование с целью занятия лидерских позиций мегафакультета соответствует глобальным научно-технологическим
вызовам в области CPS.
Одним из эффективных методов организации экспертного диалога и налаживания сотрудничества с международным научным
и инженерным сообществом в области CPS, а также продвижения
тематики и результатов исследований мегафакультета является
организация конференций, семинаров, академических центров
и научных школ. Подобные традиционные методы стимулируют
публикационную активность, проведение научных мероприятий,
подготовку заявок на гранты и т. п. необходимы, но не достаточны.
Среди других более существенных инструментов должны стать
новые подходы в формировании необходимых компетенций у всех
участников образовательного и исследовательского процесса, за
счет реализации подходов к обучению с вовлечением в проектную деятельность обучающихся всех ступеней, с одной стороны,
и интеграцией исследовательской деятельности преподавателей в
учебный процесс – с другой. При этом приоритетом должны стать
международные исследовательские проекты, выполняемые на лабораторной базе мегафакультета, а также международные коллаборации, достигаемые за счет стимулирования участия в различных
консорциумах, рабочих группах и т. п. Отделом технологического
форсайта мегафакультета осуществляется разработка предложений по встраиванию в глобальные цепочки создания стоимости и
формированию международных альянсов в сфере науки и технологий для технологических кластеров.
Еще одним способом встраивания в международную научную
повестку является использование метода исследовательских фронтов (research fronts) – анализа наиболее динамично развивающихся областей научных исследований в мире на основе регулярно обновляемых данных агентства Thomson Reuters1.
1 Исследовательский фронт представляет собой совокупность высокоцитируемых публикаций, индексируемых в базе данных Web of Science, формируемую при
помощи процедур кластеризации.
21
1.4. Внедрение результатов научных исследований
и опытно-конструкторских разработок – необходимое условие
повышения качества подготовки специалиста
Киберфизические системы – это одна из технологий, призванная изменить облик рынков и индустрий будущего, пронизывая
все сферы деятельности человека. Ниже кратко описаны секторы,
в которые планируется осуществлять внедрение результатов разработок мегафакультета.
Умные транспортные системы (Smart Transportation) оборудованы различными компьютеризированными встроенными системами управления на разных уровнях: в сфере авиации, водного
и железнодорожного транспорта. Существенную роль внедрение
CPS играет в переходе систем навигации на принципиально новый
уровень, позволяющий навигации учитывать большое количество
дополнительных факторов: эффективное использование пространства и координированное управление коллективами транспортных
средств, экономия топлива и сокращение выбросов, мониторинг состояния пилотов, машинистов, операторов.
Важно отметить, что партнерами-предприятиями во внедрении
CPS в продукты навигации являются ЗАО «КБ НАВИС», «Транзас», государственная корпорация по космической деятельности
«Роскосмос», Российский Институт радионавигации и времени,
ООО «Р-Нав», АО Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», НПО «Прогресс», ОАО Концерн НПО «Аврора» и др.
Задача CPS в сфере энергоснабжения заключается в создании
более эффективных умных сетей (SmartGrids). Интеллектуальные
энергосети представляют собой киберфизические системы, в которых датчики и другие устройства обеспечивают мониторинг сети
для целей контроля, повышения надежности и энергоэффективности. Снабжение их датчиками для сбора данных и обработка этих
данных позволят предложить оптимальные решения, обеспечивающие экономическую эффективность, непрерывность снабжения,
экологическую безопасность. Это обеспечит большую устойчивость
энергосистем в условиях существующих ограничений на регулирующие воздействия и неопределенности внешней среды. Большим
потенциалом применения в данном секторе является также внедрение CPS в системы умных зданий с минимальным или вообще
нулевым потреблением энергии (Net-ZeroEnergy, NZE). В них совместная работа интеллектуальных устройств и киберфизических
систем позволяет сократить энергопотребление, повысить безопас22
ность и защищенность, а также создать более комфортные условия
для жителей. В технологиях CPS, таким образом, могут быть заинтересованы строительные и эксплуатационные компании.
В производственной среде к системам CPS относятся интеллектуальные станки, роботизированные линии, системы технического
зрения и автоматизированного контроля качества, внутрицеховой и складской транспорт, которые интегрированы с системами
верхнего уровня (MES, WMS, ERP) и в автономном режиме могут
обмениваться информацией, запускать те или иные действия и независимо контролировать друг друга. Это повышает качество продукции, а также гибкость и производительность, так как сокращает время простоев при поломках оборудования и перенастройках
линий под новую номенклатуру изделий.
Практическое использование (внедрение) результатов научноисследовательской деятельности мегафакультета (с участием студентов) осуществляется в форме реализации инновационных проектов структурными подразделениями университета и создания
отдельных компаний на базе разработок мегафакультета и обеспечивается возможностями инновационной инфраструктуры Университета ИТМО, в частности: венчурный фонд (инвестиционный
фокус – прогрессивное производство и M2M, включая производственную робототехнику и технологии высокого уровня автоматизации; цифровое производство; перспективные системы обработки
и передачи информации; M2M технологии), бизнес-инкубатор, акселерационные программы, технопарк.
1.5. Показатели результативности мегафакультета
Выстраиваемая в Университете ИТМО система подготовки инженеров нового класса опирается на новые образовательные программы, в том числе совместно с ведущими университетами и индустриальными партнерами, новые принципы, технологии и методики обучения, новые подходы к поиску и привлечению талантливой профессионально мотивированной молодежи и т. д. Основные
показатели результативности мегафакультета за 2015–2016 годы,
представленные в табл 1.1 и 1.2, в первую очередь характеризуют
качество модернизации и развития его образовательной деятельности и подтверждают правильность и эффективность организационно-методических решений, направленных на повышение качества
подготовки специалистов.
23
Таблица 1.1
Показатели результативности мегафакультета
Показатель
2015
2016
Позиция в отраслевом (предметном) рейтинге THE «Computer Science» в достижении которого участвует мегафа–
56
культет:
Количество публикаций в базе данных Web of Science на 1
2,61 2,80
НПР мегафакультета
Количество публикаций в базе данных Scopus на 1 НПР
3,69 3,85
мегафакультета
Средний показатель цитируемости на 1 НПР мегафакультета, рассчитываемый по совокупности публикаций, уч- 4,3
4,50
тенных в базах данных Web of Science
Средний показатель цитируемости на 1 НПР мегафакультета, рассчитываемый по совокупности публикаций, уч- 5,6
5,70
тенных в базах данных Scopus
Доля зарубежных профессоров, преподавателей и исследователей в численности НПР мегафакультета, включая
3% 3,5%
российских граждан-обладателей степени PhD зарубежных университетов
Доля иностранных студентов, обучающихся на основных
образовательных программах, реализуемых мегафакуль- 12,1% 13,0%
тетом (считается с учетом студентов из стран СНГ)
Средний балл ЕГЭ студентов вуза, принятых для обучения
по очной форме обучения за счет средств федерального
82,2 84,6
бюджета по программам бакалавриата и специалитета, реализуемых мегафакультетом
Доля доходов из внебюджетных источников в структуре
40,3 40,8
доходов мегафакультета
Таблица 1.2
Количественные характеристики развития мегафакультета
Показатели деятельности мегафакультета
Количество основных образовательных программ высшего образования мегафакультета, имеющих международную профессионально-общественную аккредитацию (данные на основе внутренней информации вуза)
Количество основных образовательных программ высшего образования мегафакультета, полностью реализуемых
на иностранном языке
Количество реализуемых основных образовательных программ высшего образования мегафакультета ведущих к
получению двух дипломов
24
2015
2016
3
4
3
5
12
15
Окончание табл. 1.2
Показатели деятельности мегафакультета
2015 2016
Доля численности обучающихся на мегафакультете по основным образовательным программам высшего образования, участвующих в выполнении научно-исследователь- 60% 65%
ских работ (НИР) мегафакультета в общей численности
обучающихся в мегафакультета
Доля численности обучающихся на мегафакультете по основным образовательным программам высшего образования в общей численности обучающихся в образовательной 30,7% 30,8%
организации по основным образовательным программам
высшего образования
Доля численности НПР мегафакультета, являющихся авторами публикаций, учитываемых базами данных Scopus
и Web of Science, в общей численности НПР мегафакульте- 45% 46%
та (расчет на основе информации баз данных Scopus и Web
of Science)
Доля численности работников мегафакультета в общей
15,4% 15,5%
численности работников образовательной организации
25
2. ИНСТИТУТ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
В ЭЛЕКТРОМЕХАНИКЕ И РОБОТОТЕХНИКЕ ГУАП
Качество подготовки инженеров в технических областях непосредственно связано с материально-техническим обеспечением образовательной деятельности (учебного процесса), что определяется
Федеральным законом «Об образовании в Российской Федерации»
от 29.12.2012 № 273-ФЗ (действующая редакция, 2016 г.) как
одна из компетенций образовательной организации в установленной сфере деятельности. Необходимо отметить то, что подготовка
инженерных кадров по техническим направлениям требует больших финансовых вложений по сравнению с гуманитарными и социально-экономическими направлениями. Это отражается в стоимости подготовки как для бакалавриата, так и для магистратуры
(табл. 2.1, данные на 2017 г.) (приказ Министерства образования и
науки РФ № 884 от 20 июня 2016 г.)
Подготовить специалиста, не обеспечив обучающемуся в достаточном объеме доступ к учебно-исследовательским комплексам, приборной базе, средствам вычислительной техники и т. д.,
практически невозможно. На это обстоятельство делается акцент
в образовательных стандартах и нормативных документах Министерства образования и науки РФ, которые регламентируют соотношение между объемом лабораторных и практических занятий и
лекционными курсами в сторону сокращения последних.
При сокращении общего объема аудиторной нагрузки такой подход к организации учебного процесса представляется вполне целесообразным, поскольку самостоятельная работа студентов, связанная
с освоением вопросов лекционного материала может выполняться с
использованием библиотечного фонда вуза и интернет-ресурсов. ОдТаблица 2.1
Стоимость обучения по программам подготовки специалистов
Наименование направлений
Управление в технических системах
Электроэнергетика и электротехника
Техническая физика
Мехатроника и робототехника
Экономика
Юриспруденция
Политология
26
Стоимость за год в руб.
бакалавриат
магистратура
163950
163950
227971
163950
149668
149668
149668
180135
180135
238370
180135
165850
165850
165850
нако, все что касается лабораторных работ, являющихся неотъемлемой частью учебного процесса, то их выполнение возможно лишь
при наличии в вузе необходимого лабораторного оборудования.
Применительно к современной лабораторной базе совершенно
неприемлемым является терминология прошлого века – лабораторный стенд. Данный термин в то время был вполне справедлив,
поскольку на одном стенде выполнялась одна лабораторная работа.
Такие лабораторные стенды изготавливались опытным производством самого учебного заведения.
В настоящее время производство лабораторного оборудования
осуществляется специализированными организациями, такими
как научно-производственное предприятие «Учтех-Профи» (г. Челябинск), научно-техническое предприятие «Центр» (г. Могилев) и др.
Выпускаемые лабораторные установки справедливо назвать учебно-исследовательскими комплексами, которые по своим возможностям являются многофункциональными и многоцелевыми. Стоимость таких комплексов достаточно высока и в зависимости от комплектации лежит в диапазоне от сотен тысяч до миллионов рублей.
Поэтому вузам необходимо принимать организационные и методические решения, которые, с одной стороны, дают возможность
при ограниченных финансовых ресурсах обеспечивать учебный
процесс современным оборудованием, а с другой – не допускают нарушения логики учебных планов подготовки специалистов,
учитывающих специфику этой подготовки в рамках конкретного
профиля, что в целом призвано повысить качество подготовки выпускников, обучающихся как по программам бакалавриата и специалитета, так и магистратуры.
2.1. Организационные и методические решения
по созданию учебно-лабораторного комплекса
Структура организации учебного процесса, когда каждая выпускающая кафедра имеет в своем составе учебную лабораторию и
компьютерный класс (несколько классов) (рис. 2.1.) в современных
условиях не может в полной мере обеспечивать качество подготовки специалистов. Это связано с необходимостью обновления парка
лабораторного оборудования и вычислительной техники. На практике каждая кафедра стремится быть приоритетной в решении
данного вопроса, что при ограниченных финансовых ресурсах вуза
неизбежно приводит к падению общего уровня материально-техни27
Институт (факультет)
Кафедра 1
Кафедра 2
Кафедра i
Кафедра i + 1
Учебная
лаборатория
1
Учебная
лаборатория
2
Учебная
лаборатория
i
Учебная
лаборатория
i+1
Компьютерный
класс 1
Компьютерный
класс 2
Компьютерный
класс i
Компьютерный
класс i + 1
Рис. 2.1. Структура организации учебного процесса
ческого обеспечения учебного процесса, а нередко и дублированию
приобретаемого оборудования.
Опыт Санкт-Петербургского государственного университета
аэрокосмического приборостроения в решении этого вопроса представляется заслуживающим внимания. В 2012 году Ученым Советом ГУАП было принято решение о создании в Институте инновационных технологий в электромеханике и робототехнике учебнолабораторного комплекса (УЛК) и вычислительной лаборатории
(ВЛ) (рис. 2.2).
Если вычислительная лаборатория факультетского уровня не
являлась чем-то новым, а лишь позволила сосредоточить все средства вычислительной техники под общим руководством, то создание учебно-лабораторного комплекса было решением новым, которое должно было пройти проверку в части выполнения основной
задачи – повышения качества подготовки выпускников.
Такое структурное преобразование было связано с несколькими обстоятельствами. Во-первых – необходимость повышения качества подготовки специалистов по инженерным направлениям
подготовки, реализуемым институтом, которое непосредственно
связанно с современным материально-техническим обеспечением
учебного процесса.
Во-вторых – ГУАП стал выполнять комплексный проект в рамках «Программы стратегического развития государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования 2012–2014» Министерства образования и науки РФ, что позволило обновлять лабораторную базу.
28
Институт (факультет)
Лаборатория 1
Кафедра 1
Учебнолабораторный
комплекс
Лаборатория
i+1
Кафедра 2
Кафедра i
Вычислительная
лаборатория
Кафедра i + 1
Лаборатория i
Компьютерный
класс 1
Компьютерный
класс i
Компьютерный
класс i + 1
Рис. 2.2. Преобразованная структура организации учебного процесса
Что же дало такое структурное преобразование? Поскольку в
состав УЛК вошли учебные лаборатории всех кафедр института,
то появилась возможность оптимизировать штатную численность
учебно-вспомогательного персонала, поскольку вместо заведующих учебными лабораториями каждой кафедры возглавлять данную структуру стал заведующий УЛК, непосредственно подчиняющийся директору института.
Была проведена инвентаризация всего парка лабораторных
работ, которые в то время были именно лабораторными работами
(один стенд – одна работа), на основе чего кафедрами институтом
был разработан перспективный план развития УЛК на пятилетку,
основная задача которого заключалась в обеспечении всех образовательных программ института современным лабораторным оборудованием в максимально короткий срок.
Фактически прежде чем разрабатывать подобный документ,
была сформулирована концепция (требования) к материально-техническому обеспечению учебного процесса на пятилетнюю перспективу, исходя из основных принципов компетентностного подхода, лежащего в основе образовательных стандартов. Основные
требования сводились к следующему:
• повышение качества подготовки инженеров путем использования в учебном процессе современных материально-технических
ресурсов;
29
• обеспечение всех образовательных программ, реализуемых
институтом, современным учебно-исследовательским оборудованием при оптимальных финансовых затратах;
• максимальная эффективность использования лабораторного
оборудования в учебном процессе;
• разработка и создание учебно-лабораторных комплексов силами профессорско-преподавательского состава института с участием
бакалавров и магистров.
Эти положения не вызывают сомнений, поскольку материальнотехническое обеспечение учебного процесса – необходимое условие
качества образования, а следовательно, и подготовки специалиста.
Во всех образовательных стандартах инженерной подготовки есть
профессиональные компетенции, связанные с навыками практической работы на современном лабораторном оборудовании и приборной базе, умениями проводить экспериментальные исследования
и анализировать полученные результаты, например для направления подготовки «Управление в технических системах» [1, 2]:
• способность выполнять эксперименты на действующих объектах по заданным методикам и обрабатывать результаты с применением информационных технологий и технических средств;
• готовность к участию в работах по изготовлению, отладке и
сдаче в эксплуатацию систем и средств управления;
• готовность к участию в разработке и изготовлении стендов
для комплексной отладки и испытаниях программно-аппаратных
управляющих комплексов;
• способность участвовать в монтаже, наладке, настройке, проверке и сдаче опытных образцов программно-аппаратных средств и
комплексов автоматизации и управления;
• способность осуществлять регламентные испытания аппаратных
и программных средств в лабораторных и производственных условиях;
• способность к разработке и использованию испытательных
стендов на базе современных средств вычислительной техники и
информационных технологий для комплексной отладки, испытаний и сдаче в эксплуатацию систем управления и т. д.
Перечисленные выше компетенции, а следовательно, и качество
подготовки специалистов просто недостижимы без соответствующего материально-технического обеспечения.
Во главу угла при разработке перспективного плана развития
УЛК были поставлены не амбиции отдельно взятой кафедры, а интересы учебного процесса всего института в части повышения качества
подготовки специалистов по всем образовательным программам.
30
Принятое организационное решение положило конец неизбежным при традиционном подходе (учебная лаборатория на каждой
кафедре) попыткам «перетягивания каната» в отстаивании приоритетов отдельной кафедры, входящей в состав института (факультета), в части материально-технического обеспечения, что неизбежно приводило к потерям (при ограниченных финансовых возможностях вуза) для большинства образовательных программ, а
следовательно, интегральному снижению общего уровня качества
подготовки специалистов.
Для реализации перспективного плана развития УЛК требовалась интеграция учебных планов всех направлений подготовки,
реализуемых кафедрами института: «Управление в технических
системах», «Электромеханика», «Мехатроника и робототехника»,
«Техническая физика». Для решения данного вопроса была проделана большая совместная работа учебным управлением ГУАП и
методистами института.
Такой подход к построению учебного процесса заложил основы
для максимального использования ресурсов учебно-исследовательских комплексов, планируемых к закупке, и повышения загрузки
лабораторного оборудования, что определяет его эффективность в
учебном процессе, а также эффективность использования финансовых ресурсов университета.
Однако, исходя из многолетнего опыта подготовки специалистов в
области управления в технических системах, мехатронике и робототехнике, электромеханике – направлений подготовки, которые сегодня являются составными частями объединяющего общего понятия
киберфизические системы, можно утверждать, что и при отсутствии
каких-либо формальных количественных аккредитационных показателей материально-технического обеспечения учебного процесса,
качество подготовки будет оцениваться, прежде всего, тем насколько
быстро выпускник сможет адаптироваться на реальном производстве.
При этом понятие «производство» в данном случае имеет самый
широкий смысл, объединяя все определяемые образовательными
стандартами сферы деятельности выпускника:
• научно-исследовательская;
• проектно-конструкторская;
• производственно-технологическая;
• монтажно-наладочная;
• сервисно-эксплуатационная;
• организационно-управленческая;
• проектно-технологическая и т. д.
31
2.2. Материально-техническое обеспечение
учебно-лабораторного комплекса
В результате проведения взвешенной и целенаправленной политики ГУАП в период с 2012 по 2016 год для учебно-лабораторного
комплекса Института инновационных технологий в электромеханике и робототехнике было приобретено оборудование – учебно-исследовательские комплексы на общую сумму более 20 млн рублей.
Это позволило практически полностью переоснастить парк лабораторного оборудования УЛК, в составе которого функционируют
более 15 лабораторий. Ниже приводится краткое описание материально-технической базы лабораторий и задач, решаемых с их использованием в учебном процессе.
Лаборатория «Электроника» оснащена четырьмя учебно-исследовательскими комплексами (с пятью сменными панелями каждый), которые были разработаны, изготовлены и отлажены с участием студентов института (рис. 2.3).
Материально-техническое обеспечение лаборатории дает возможность выполнять 30 лабораторных работ, полностью охватывающих курс «Электроника», начиная от исследования полупроводниковых диодов и заканчивая устройствами, реализуемыми на
интегральных микросхемах.
Возможности лаборатории дополняются исследовательскими
комплексами лаборатории «Основы автоматики и вычислительной
техники», которая включает в свой состав четыре учебно-исследовательских комплекса (рис. 2.4).
Комплексы являются многоцелевыми, поскольку обеспечивают
выполнение лабораторных работ как по изучению первичных измерительных преобразователей (потенциометрических, индуктив-
Рис. 2.3. Материально-техническое оснащение лаборатории
«Электроника» УЛК
32
Рис. 2.4. Материально-техническое оснащение
лаборатории «Основы автоматики и вычислительной техники» УЛК
ных и индукционных) и схем на их основе, в том числе в составе системы автоматического управления (САУ). Кроме того, изучаются
преобразовательные устройства САУ, такие как: мультивибраторы, генераторы сигналов, блокинг-генераторы, цифровые фазовые
дискриминаторы и многое другое.
Лаборатория «Теория автоматического управления» оснащена тремя учебно-исследовательскими комплексами (рис. 2.5) и
обеспечивает поддержку соответствующего лекционного курса в
части динамики линейных систем автоматического управления с
ПИД-регуляторами. Лабораторные комплексы позволяют изучить
типовые звенья первого и второго порядка, в том числе фильтры
Бесселя, Чебышева, Баттерворта, методы последовательной и параллельной коррекции. Также дают возможность снимать статические и динамические характеристики аналоговой модели системы
ШИП-ДПТ с настраиваемыми параметрами, производить настройку этой системы при работе от внешних аналоговых регуляторов.
В состав лаборатории «Микропроцессорные системы управления
электроприводами» входят три компьютеризированных комплекса
(рис. 2.6), которые дают возможность проводить исследования:
33
Рис. 2.5. Материально-техническое оснащение лаборатории
«Теория автоматического управления» УЛК
34
Рис. 2.6. Материально-техническое оснащение лаборатории
«Микропроцессорные системы управления электроприводами» УЛК
35
• двигателя постоянного тока с независимым возбуждением;
• асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором;
• электропривода постоянного тока с широтно-импульсным преобразователем;
• сервопривода на базе двигателя постоянного тока;
• сервопривода на базе синхронного двигателя и программируемого преобразователя;
• электропривода переменного тока с преобразователем частоты;
• замкнутые системы подчиненного регулирования, с обратными связями по току, скорости, положению.
Таким образом, лаборатория «Микропроцессорные системы
управления электроприводами» позволяет выполнять 20 лабораторных работ по дисциплинам «Автоматизированные электроприводы», «Электрические машины», «Теория автоматического
управления», «Преобразовательная техника», что обеспечивает
необходимый уровень подготовки студентов по всем направлениям
подготовки, реализуемым институтом.
Лаборатория «Электрические машины» оснащена тремя учебно-исследовательскими комплексами с компьютерным управлением (рис. 2.7).
Лабораторные установки обеспечивают решение задач всестороннего экспериментального исследования всех типов электрических машин постоянного и переменного тока: генераторов постоянного тока и асинхронного, двигателей постоянного тока,
асинхронного двигателя с короткозамкнутым и фазным ротором,
синхронных генератора и двигателя, а также трансформатора при
различных режимах работы.
Студенты не только имеют возможность развивать компетенции, связанные с навыками экспериментальных исследований, но
и разрабатывать математические модели (с оценкой их адекватности), используемые в других дисциплинах учебных планов.
Лаборатория «Силовая электроника и преобразовательная техника» имеет следующие учебно-исследовательские комплексы:
«Автономные преобразователи», «Широтно-импульсные преобразователи», «Преобразовательная техника» (рис. 2.8).
Комплексы лабораторного оборудования обеспечивают экспериментальное исследование однофазных и трехфазных управляемых
и неуправляемых выпрямителей, автономных инверторов, вторичных источников питания, широтно-импульсных повышающих,
понижающих и реверсивных преобразователей при различных
способах управления.
36
Рис. 2.7. Материально-техническое оснащение лаборатории
«Электрические машины» УЛК
37
Рис. 2.8. Материально-техническое оснащение лаборатории
«Силовая электроника и преобразовательная техника» УЛК
Лаборатория «Электрические и электронные аппараты»
(рис. 2.9) дает возможность развивать компетенции, связанные с
изучением физических явлений, на примере электрических аппаратов, исследовать аппараты управления (реле, контакторы, магнитные пускатели), трансформаторы тока и напряжения и т. д.
Кроме того, использование этих лабораторных установок позволяет моделировать средствами электроники функциональные
преобразователи, проводить тестирование логических элементов:
триггеров, регистров, счетчиков, что расширяет функциональные
38
Рис. 2.9. Материально-техническое оснащение лаборатории
«Электрические и электронные аппараты» УЛК
возможности УЛК в части обеспечения учебного процесса по дисциплинам учебных планов.
В состав лаборатории «Нетрадиционные и возобновляемые
источники энергии» входят три исследовательских комплекса
(рис. 2.10), которые позволяют экспериментально исследовать
Рис. 2.10. Материально-техническое оснащение лаборатории
«Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» УЛК
39
ветроэлектрогенератор и фотоэлектрическую солнечную электростанцию. На данном оборудовании работают не только студенты
направления «Электромеханика и электротехника», но студенты
других направлений подготовки института, для которых объекты
исследований представляют собой объекты управления.
В лаборатории «Мобильные робототехнические устройства»
учебный процесс построен на базе маневренной двухколёсной платформы Turtle, производства DFRobot (рис. 2.11) и человекоподобном роботе ROBOTIS DARwIn-OP, представляющем собой уникальную робототехническую платформу (рис. 2.12).
Лаборатория «Промышленные робототехнические системы»
использует лабораторный комплекс «Система автоматизации и
управления робота-манипулятора» (рис. 2.14), позволяющий изучить технические характеристики и систему программирования
промышленного контроллера Omron, а также систему автоматизации на базе робота-манипулятора. Кроме того, в состав лаборатории
входит робот-манипулятор со сферической зоной обслуживания
(рис. 2.15), который может выполнять сборочные и сортировочные
операции (рис. 2.16).
Рис. 2.11. Материально-техническое оснащение лаборатории
«Мобильные робототехнические устройства» УЛК
40
Рис. 2.12. Человекоподобный робот ROBOTIS DARwIn-OP
Особая гордость Института инновационных технологий в электромеханике и робототехнике – робототехнический исследовательский комплекс Baxter Research Robot (рис. 2.17), созданный компанией Rethink Robotics, основателем которой является Родни Брукс,
директор лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского
технологического института и сооснователь компании iRobot.
Baxter Research Robot, используемый в учебном процессе
ГУАП, первый и на сегодняшний день единственный в Российской
Федерации подобный робототехнический комплекс. Существенное
отличие данного комплекса от других промышленных роботов заключается в следующем:
• научно-образовательная версия робота отличается от «производственной» только программным обеспечением, что не требует
адаптации к учебному процессу, с чем неизбежно приходится сталкиваться при работе с промышленным оборудованием;
• Baxter Research Robot предназначен для тесного взаимодействия с людьми на производстве (collaborative robot), а, как известно, обычные промышленные роботы, автоматизирующие задачи
на производственной линии не соприкасаются с людьми во время
работы.
41
Рис. 2.13. Участие студентов Института инновационных технологий
в электромеханике и робототехнике в соревнованиях по робототехнике
Рис. 2.14. Система автоматизации Рис. 2.15. Робот-манипулятор со
и управления робота-манипулятора сферической зоной обслуживания
42
Рис.2.16. Выполнение лабораторных работ в лаборатории
«Промышленные робототехнические системы» УЛК
Использование Baxter Research Robot дает возможность студентам работать с самыми передовыми образцами техники (Массачусетский технологический институт занимает ведущие позиции в
мировом рейтинге вузов) и тем самым повышать качество образовательного процесса в целом.
Модернизация стендов лаборатории «Разомкнутые системы автоматического управления» (рис. 2.18) была проведена с участием
студентов в 2015 году. Оборудование лаборатории обеспечивает
проведение лабораторных работ по дисциплинам «Автоматизированный электропривод» и «Исполнительные устройства систем автоматического управления».
Лаборатория «Замкнутые системы автоматического управления» включает в свой состав установки, созданные с участием бакалавров и магистров института инновационных технологий в
электромеханике и робототехнике в рамках реализации программ
практико-ориентированной подготовки: «Потенциометрическая
следящая система», «Система управления приводом стабилизированной скорости», «Система автоматического управления бортовой антенной», «Микропроцессорная система управления ан43
Рис. 2.17. Baxter Research Robot в лаборатории
«Промышленные робототехнические системы» УЛК
44
Рис. 2.18. Материально-техническое оснащение лаборатории
«Разомкнутые системы автоматического управления» УЛК
Рис. 2.19. Материально-техническое оснащение лаборатории
«Замкнутые системы автоматического управления» УЛК
тенной установкой», «Система экстремального регулирования»
(рис. 2.19–2.21).
Все перечисленные исследовательские комплексы построены по
блочно-модульному принципу, что дает возможность экспериментально исследовать как статические и динамические характеристики элементов и устройств, входящих в состав САУ, так и динамику системы управления в целом.
Затем на основании экспериментальных данных магистранты
могут осуществлять построение математических и вычислитель45
ных моделей с оценкой степени их адекватности физике функционирования реального оборудования и решать задачи синтеза законов управления как для линейных математических моделей, так и
с учетом нелинейных характеристик.
Разработанный в ходе научно-исследовательской работы регулятор реализуется на соответствующей элементной базе и включается в контур управления лабораторной установки, что дает возможность оценить качество достигнутого результата на практике.
Таким образом, компетенции образовательных стандартов, связанные с практикой работ студентов на реальном оборудовании, оказываются обеспеченными.
Необходимо отметить, что «Система экстремального регулирования», «Микропроцессорная система управления антенной установкой (Электропривод с цифровым управлением)» в 2011 году экспонировались на Петербургской технической ярмарке, где были отмечены
дипломами II степени с вручением серебряных медалей в номинации
«Лучший инновационный проект в области образовательных технологий» (Международная выставка-конгресс «Высокие технологии.
Инновации. Инвестиции», Санкт-Петербург, 2011) (рис. 2.20, 2.21).
Исследовательский комплекс «Система автоматического управления бортовой антенной» будет более подробно рассмотрен в главе
4, как пример практико-ориентированной подготовки бакалавров
и магистрантов института.
Лаборатория «Микропроцессорная техника и ПЛИС» (рис. 2.22)
дает возможность проводить экспериментальные исследования
устройств индикации, средств ввода аналоговой информации в
микроконтроллер, реализацию временных функций в микропроцессорных системах управления, интерфейсы I2C и RS232, и т. д.,
а кроме того, позволяет студентам на практике применять языки
программирования ассемблер и СИ.
Материально-техническое обеспечение лаборатории «Дискретные системы автоматического управления» составляют исследовательские комплексы на платформе ELVIS II (Educational Laboratory
Virtual Instrumentation Suite) (рис. 2.23), которая является учебноисследовательской лабораторной станцией виртуальных приборов
и дает возможность разработки и создания лабораторных практикумов и многоцелевых учебных лабораторий.
На базе лаборатории магистры института решают исследовательские задачи по проектированию аналоговых и цифровых схем,
моделируют прототипы систем и устройств в среде визуального
моделирования электронных схем и компонентов MultiSim 10.1,
46
Рис. 2.20. Система экстремального
регулирования
Рис. 2.21. Микропроцессорная
система управления антенной
установкой
имеют возможность собирать прототип на реальной платформе и
исследовать его работу при помощи приборов, входящих в состав
ELVIS II. Тем самым они получают уникальную возможность пройти весь цикл создания изделия на единой платформе от моделирования до тестирования реального прототипа устройства, что полностью соответствует задачам повышения качества подготовки студентов в рамках практико-ориентированной магистратуры.
47
Рис. 2.22. Материально-техническое оснащение лаборатории
«Микропроцессорная техника и ПЛИС» УЛК
Рис. 2.23. Материально-техническое оснащение лаборатории
«Дискретные системы автоматического управления» УЛК
48
Таким образом, все современные учебно-исследовательские
комплексы, представляющие собой материально-техническое обеспечение УЛК, являются многоцелевыми системами, поддерживающими несколько лекционных курсов и дающие возможность выполнять по 15–20 лабораторных работ, что обеспечивает:
• повышение качества подготовки специалистов, обусловленное
материально-технической базой учебного процесса;
• снижение удельной стоимости каждого учебно-исследовательского комплекса, с учетом многофункциональности
• возможность быстрой адаптации к требованиям учебного процесса (увеличение или уменьшение часов лабораторных работ в
учебных планах различных направлений подготовки и форм обучения), которые определяются образовательными стандартами. Последние достаточно часто меняются.
2.3. Методическое обеспечение УЛК
Как следует из раздела 2.2, в Институте инновационных технологий в электромеханике и робототехники ГУАП была решена первая часть задачи повышения качества образовательного процесса,
связанная с оснащением учебных лабораторий УЛК современным
оборудованием.
Очевидно, что само по себе улучшение материально-технического обеспечения не решает задачу повышения качества подготовки
специалистов. Для внедрения учебно-исследовательских комплексов в учебный процесс требовалось решение более сложных, но уже
методических задач:
• освоение, в полном объеме, сложного лабораторного оборудования преподавательским составом;
• подготовка и публикация учебных пособий с четкой привязкой лабораторных работ к соответствующим лекционным курсам.
Казалось бы, в перечисленных задачах нет ничего необычного,
а уж тем более сложного с учетом высокого профессионализма профессорско-преподавательского состава института. Однако, как было
показано выше, учебно-исследовательские комплексы являются
многофункциональными и многоцелевыми, дающими возможность
обеспечивать до 10–15 лабораторных работ по нескольким разноплановым дисциплинам учебных планов подготовки специалистов.
Так, например, учебно-исследовательские комплексы лаборатории «Основы автоматики и вычислительной техники» дают воз49
можность изучать первичные измерительные преобразователи и
элементы электроники (триггеры, мультивибраторы, одновибраторы и т. д.). Не говоря о более сложном оборудовании, таком как,
входящее в состав лаборатории «Микропроцессорные системы автоматического управления приводами», которое позволяет на одном
комплексе выполнять лабораторные работы, поддерживающие лекционные курсы по дисциплинам: «Автоматизированные электроприводы», «Теория автоматического управления», «Нелинейные
системы автоматического управления», «Дискретные системы».
План развития УЛК предусматривал две формы комплектования лабораторий:
• комплектование единообразными исследовательскими комплексами для фронтального проведения лабораторных работ с бакалаврами и специалистами;
• комплектование различными по тематике решаемых задач
комплексами для обучения магистров.
Второй вариант работ, выполняемых на лабораторном оборудовании, носит в большей степени исследовательский характер и
дает возможность в процессе обучения магистров решать сквозные
многосеместровые задачи, объединяющие подготовку по нескольким дисциплинам учебных планов.
Внедрение в учебный процесс приобретаемого лабораторного
оборудование с учетом периода его освоения и подготовки соответствующего методического обеспечения на сегодняшний день в институте занимает, как правило, календарный год.
Основная задача – сокращение этого интервала, хотя здесь есть и
некоторые ограничения. Достаточно сказать о формируемом на календарный год плане изданий учебно-методической литературы и не безграничных возможностях загрузки полиграфических мощностей вуза.
Тем не менее в части методического обеспечения можно отметить существенно возросшую публикационную активность преподавательского состава. Что особенно важно, наметилась тенденция
к публикации учебно-методической литературы авторскими коллективами, в состав которых входят преподаватели всех кафедр
института. Это естественно улучшает качество публикаций, поскольку один и тот же вопрос рассматривается с разных позиций,
соответствующих разным профилям подготовки студентов. Такие
публикации расширяют кругозор и повышают эрудицию студентов, которые видят дисциплины учебных планов, не только с точки
зрения их узкой направленности, но и с пониманием межпредметных связей и логики учебных планов в целом.
50
3. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ
МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА НА КАЧЕСТВО
ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ
3.1. Критерии оценки влияния
материально-технического обеспечения
на качество подготовки инженерных кадров
Критерии оценки международного рейтинга университетов,
которые, в частности, используются в методике журнала Times
Higher Education, базируются на следующих показателях с соответствующим удельным весом:
• академическая репутация университета, включая научную деятельность и качество образования (0,15);
• научная репутация университета (0,19);
• общая цитируемость научных публикаций (0,325);
• число научных статей на одного преподавателя (0,045);
• общий объем НИР на одного преподавателя (0,0525);
• объем хоздоговорных НИР на одного преподавателя (0,055);
• отношение государственного финансирования НИР к общему
объему (0,0075);
• число студентов, приходящихся на одного преподавателя (0,045);
• отношение численности иностранных преподавателей к численности преподавателей из числа граждан страны (0,003);
• отношение числа иностранных студентов к общей численности
(0,002);
• отношение преподавателей с ученой степенью к общей численности (0,006);
• отношение защищенных диссертаций к численности бакалавров, идущих на звание магистра (0,025);
• средний размер заработной платы (0,025).
Как следует из приведенных данных, материально-техническое
обеспечение образовательного процесса оценивается критериями
только опосредованно. В связи с этим можно предположить, что, по
мнению авторов данной методики, без высокого уровня обеспеченности вуза учебно-исследовательским лабораторным оборудованием и приборной базой достижение высоких значений перечисленных выше критериев окажется невозможным.
Федеральные государственные образовательные стандарты
(ФГОС) также не содержат четких требований к материально-тех51
ническому обеспечению учебного процесса для большинства специальностей и направлений.
Очевидно, что государственный стандарт не может быть сформулирован абсолютно полно. Как правило, он содержит концептуальные позиции по вопросам подготовки специалистов, в том числе и по
вопросам формирования основных принципов ресурсного обеспечения. Такое положение вполне объяснимо, поскольку ФГОС формулируется на несколько лет вперед, а требования развития науки,
техники и производства вносят постоянные коррективы, которые
учитываются в рабочих программах дисциплин учебных планов.
Такое положение (отсутствие конкретных позиций) по материально-техническому обеспечению образовательной деятельности
в части, касающейся лабораторной базы, вызывает определенные
сложности в оценке влияния качества и количества лабораторного
оборудования на качество подготовки специалистов [3, 4].
Повышение качества образования можно оценить по показателям, применяемым при аттестации, лицензировании и аккредитации вузов, при использовании системы менеджмента качества.
Известно, что основу государственной регламентации деятельности вузов составляет комплексная оценка, проводимая на основе
лицензирования, аттестации и аккредитации. При этом каждая из
перечисленных процедур, так или иначе, как правило, весьма косвенно, характеризует материально-техническую оснащенность.
Министерство образования и науки РФ определило критерии
мониторинга для всей системы российского образования, среди них
показатели, определяющие материально-техническое и информационное обеспечение образовательных организаций, в том числе:
• обеспеченность студентов общежитиями (удельный вес студентов, проживающих в общежитиях, в общей численности студентов,
нуждающихся в общежитиях);
• обеспеченность студентов сетью общественного питания;
• число персональных компьютеров, используемых в учебных
целях, в расчете на 100 студентов;
• удельный вес числа организаций, подключенных к Интернету
со скоростью передачи данных 2 Мбит/с и выше, в общем числе образовательных организаций, подключенных к Интернету;
• площадь учебно-лабораторных зданий в расчете на одного студента [5–7].
В ходе лицензирования (повторное и новых специальностей/
направлений подготовки) предусмотрено представление сведений,
касающихся материально-технического обеспечения:
52
• сведения о зданиях и помещениях, используемых для организации и ведения образовательного процесса (количественная информация только одна — общая площадь);
• сведения об оснащенности учебного процесса лабораторным
оборудованием (наименование специализированных аудиторий,
кабинетов, лабораторий с перечнем основного оборудования).
Программа аттестации образовательных учреждений среднего
и высшего профессионального образования предусматривает отражение в отчете по самообследованию достаточности и степени
соответствия учебно-лабораторной базы ФГОС. При этом учитывается состояние материально-технической базы образовательного
учреждения в целом и по направлениям подготовки, состояние и
развитие учебно-лабораторной базы, уровень ее оснащения. При этом при проведении внешней экспертизы эксперты должны установить соответствие содержания, уровня и качества подготовки выпускников требованиям ФГОС, причем в разделе 5.3.
«Оснащенность учебного процесса специализированным и лабораторным оборудованием» (Методические рекомендации по лицензированию основных образовательных программ высшего профессионального образования (руководство эксперта)) [4, 8] основные
требования предъявляются к уровню информатизации:
«Особое внимание уделяется созданию вузом каждому обучающемуся возможности доступа к современным информационным базам. Для обучающихся на старших курсах должна быть обеспечена
возможность оперативного получения и обмена информацией с отечественными и зарубежными вузами, предприятиями и организациями, выхода в Интернет.
Поэтому в ходе экспертизы дается оценка используемому программному обеспечению, качественному уровню используемой вычислительной техники в образовательном процессе…».
Оценка же лабораторного оборудования по всем дисциплинам
учебных планов сводится к заполнению формы № 4а (Приложение
№ 10 к Приказу Минобразования России от 23.04.2001 № 1800),
где перечисляется специализированное и лабораторное оборудование по каждой дисциплине или группе дисциплин, включая и имеющуюся компьютерную технику, с указанием формы владения,
пользования им [8].
Что касается аккредитации, то в перечне пороговых значений
государственного статуса (государственной аккредитации) образовательных учреждений нет ни одного пункта, касающегося материально-технического обеспечения [4].
53
Таким образом, как следует из нормативных документов, обеспеченность учебно-лабораторной базой оценивается общей площадью помещений, в которых расположены лаборатории, что имеет
опосредованное отношение к материально-технической оснащенности и не может свидетельствовать даже о подготовке к ней, так
как не учитывает состояние помещений [4, 8].
Приборная база оценивается по общей стоимости машин и оборудования, что позволяет судить лишь о степени заинтересованности администрации вуза в приобретении оборудования.
Вопросы информационного обеспечения, наиболее подробно
рассмотренные в рекомендациях [8], оцениваются количеством и
качеством компьютеров, приходящихся на одного студента; возможностью доступа к современным информационным базам в соответствии с профилем подготовки кадров, оперативного получения
информации и обмена ею с отечественными и зарубежными вузами, предприятиями и организациями, выхода в Интернет.
Если же рассматривать отдельные специальности и направления подготовки, то критерий оценки материально-технической
обеспеченности учебного процесса сводится к общей площади учебно-лабораторной базы в вузе и общей стоимости лабораторного оборудования на выпускающих кафедрах.
Особое значение материально-техническое обеспечение вузов
приобретает в условиях инновационного образовательного производства. Поэтому для повышения качества образовательного процесса и подготовки специалистов значимыми являются не только
современные образовательные технологии, но и состояние материально-технической базы и материально-техническое обеспечение
учебных заведений [5, 6]. Для эффективного оказания образовательной услуги вуз должен обладать необходимой материальнотехнической базой, отвечающей современному уровню развития
производительных сил [9], а материально-техническое обеспечение
вуза должно учитывать развитие научно-технического прогресса,
возможность опережающей подготовки кадров [5].
Достижение высокого качества подготовки квалифицированных
кадров невозможно и при отсутствии современной технологической
базы (оборудования, в том числе, применяемого на конкретных
рабочих местах, невозможности организации полноценной производственной практики на предприятиях). При отсутствии хорошо
развитых компетенций, определяемых ФГОС, выпускники оказываются неспособными к работе с современными материалами и оборудованием [5].
54
Система высшего образования должна обеспечивать:
• подготовку высококвалифицированных специалистов, в полной мере соответствующих требованиям потребителей в сфере производства, науки и техники и т. д., в достаточном количестве;
• прирост количества выпускаемых специалистов в соответствии
с динамикой возникающих потребностей, объем которых определяется емкостью рынка труда конкретной категории специалистов.
При этом от количества студентов зависят объемные показатели
использования материально-технической базы (количество площадей аудиторий, лабораторий, стендов, персональных компьютеров,
библиотечный фонд). Кроме того, необходимо учитывать, что качество подготовки формируется под воздействием таких факторов,
как наличие разработанных учебных планов, уровень организации
учебного процесса, его материально-техническое обеспечение, необходимость своевременного пополнения материально-технической базы необходимым оборудованием, соответствующим развитию науки и производства [6].
Очевидно, что рост численности наличного контингента студентов приводит к необходимости наращивания и достаточно быстрого
(сокращается срок физического износа) обновлении лабораторного
оборудования и приборной базы для сохранения и, тем более, роста
качества образования.
3.2. Оценка эффективности использования
учебно-лабораторных комплексов
в процессе подготовки инженерных кадров
Общий уровень эффективности функционирования УЛК можно
характеризовать обобщенным критериальным показателем, который формируется как совокупность показателей результативности
использования материально-технического обеспечения для решения задачи повышения качества подготовки инженерных кадров в
области киберфизических систем.
За основу для расчета такого критерия можно взять предложенный в [5] критериальный показатель, оценивающий уровень социально-экономической оценки эффективности функционирования
системы профессионального образования:
α
α
α
=
Kêð 5 K1 1 ⋅ K2 2 ... Ki i ,
где αi – коэффициенты значимости, оценивающие роль и значение
каждой i-й задачи в достижении главной цели деятельности систе55
мы профессионального образования; K1, K2, …, Ki – интегральные
показатели выполнения задач системы.
В качестве интегральных показателей при оценке эффективности функционирования УЛК и влияния материально-технического
обеспечения на качество подготовки специалистов можно рассматривать следующие коэффициенты.
Для оценки эффективности использования в учебном процессе
лабораторного оборудования можно применить коэффициент интенсивности использования, представляющий собой отношение
времени использования оборудования в академических часах к
средней продолжительности учебной недели:
Kèñï =
tèñï
,
tðàá
где tисп – время фактического использования оборудования в академических часах; tраб – продолжительность учебной недели в академических часах.
Поскольку подготовка специалистов должна учитывать опережающее развитие системы высшего образования, то целесообразно использовать коэффициент обновления лабораторного оборудования.
Для оценки уровня соответствия материально-технического обеспечения учебного процесса современному уровню развития науки
и техники необходимо ввести коэффициент обновления учебно-лабораторной базы для каждой специализированной лаборатории
Kîá = 1 −
gò − gï
,
∆
где gт – текущий год; gп – год покупки оборудования; ∆ – нормативный период обновления.
Поскольку каких-либо нормативов, связанных с периодом обновления учебно-лабораторного оборудования нет, то в качестве такового можно принять период времени в 10 лет, так как такой срок
рекомендован для учебно-методической литературы, в том числе
методических указаний для выполнения лабораторных работ.
Если говорить об экономической результативности выделяемых
на обновление лабораторной баз средств, то речь может идти об
эффективности их использования, которую можно оценить коэффициентом удельной стоимости учебно-исследовательского оборудования. Данный коэффициент можно определить как отношение
стоимости учебно-лабораторного оборудования к числу лаборатор56
ных работ, которые с использованием этого оборудования могут
выполнять студенты:
n
S
∑ mi
Kýôô = 1 − i =n1
i
∑ Si
,
i =1
где Si – балансовая стоимость учебно-исследовательского комплекса (лабораторного стенда); mi – число лабораторных работ, которые
выполняются на данном лабораторном оборудовании.
Если все учебно-исследовательские комплексы, входящие в состав той или иной лаборатории однотипны (при фронтальном выполнении лабораторных работ), то данный коэффициент будет
определяться только функциональными возможностями оборудования (числом лабораторных работ m, которое может быть на нем
выполнено):
1
Kýôô = 1 − .
m
В результате интегральный коэффициент обновления будет
N
∑ Kîáíi
Kî
= i=1
,
N
где Kобнi – коэффициент обновления оборудования i-ой лаборатории, N – общее число лабораторий.
В общем виде модель расчета обобщенного критериального показателя, оценивающего уровень эффективности функционирования УЛК в решении задачи повышения качества подготовки специалистов, будет выглядеть следующим образом:
n
2
∑ ( Ki − 1)
Kèíò = 1 −
i =1
n
.
Наибольшая степень эффективности использования материально-технического обеспечения учебного процесса будет в том случае,
если все частные коэффициенты будут близки или равны 1.
Так, если Kисп = 1, то все оборудование учебных лабораторий работает с максимальной загрузкой.
57
В том случае, если Kобн = 1, то все оборудование учебной лаборатории является новым, поскольку закуплено в текущем году.
Очевидно, что данный коэффициент с течением времени будет стремиться к нулю, следовательно, можно установить некоторое пороговое значение, при достижении которого требуется замена парка
лабораторных комплексов.
Поскольку данный коэффициент оценивает степень морального
износа, то решение вопроса обновления материально-технического
обеспечения требует учитывать и физический износ с учетом значения коэффициента интенсивности использования. Тогда, чем ближе значение Kисп к единице, тем выше величина порогового значения Kобн.
В соответствии с изложенным выше, была проведена оценка материально-технического обеспечения лабораторий УЛК Института
инновационных технологий в электромеханике и робототехнике
ГУАП. Результаты оценки приведены в табл. 3.1–3.15.
Таблица 3.1
Показатели эффективности лаборатории «Электроника» УЛК
Стоимость оборудования, руб.
Год покупки
Kисп
Kэф
Kобн
Kинт
400 000
2012
1,0
0,967
0,6
0, 866
Таблица 3.2
Показатели эффективности лаборатории
«Основы автоматики и вычислительной техники» УЛК
Стоимость оборудования, руб.
648 209,08
Год покупки
2013
Kисп
Kэф
0,667 0,95
Kобн
0,7
Kинт
0,850
Таблица 3.3
Показатели эффективности лаборатории
«Теория автоматического управления» УЛК
Стоимость оборудования, руб.
Год покупки
Kисп
Kэф
Kобн
Kинт
384 900
2014
0,741
0,9
0,8
0,886
Таблица 3.4
Показатели эффективности лаборатории
«Микропроцессорные системы управления электроприводами» УЛК
Стоимость оборудования, руб.
Год покупки
Kисп
Kэф
Kобн
Kинт
1 860 927
2013
0,667
0,95
0,7
0,850
58
Таблица 3.5
Показатели эффективности лаборатории
«Электрические машины» УЛК
Стоимость оборудования, руб.
Год покупки
Kисп
Kэф
Kобн
Kинт
1 374 550
2013
0,667
0,933
0,7
0,849
Таблица 3.6
Показатели эффективности лаборатории
«Силовая электроника и преобразовательная техника» УЛК
Стоимость оборудования, руб.
Год покупки
Kисп
Kэф
Kобн
Kинт
1 175 400
2014
1,00
0,933
0,8
0,930
Таблица 3.7
Показатели эффективности лаборатории
«Электрические и электронные аппараты» УЛК
Стоимость оборудования, руб.
Год покупки
Kисп
Kэф
Kобн
Kинт
1 410 750
2013
0,444
0,9
0,7
0,787
Таблица 3.8
Показатели эффективности лаборатории
«Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» УЛК
Стоимость оборудования, руб.
Год покупки
Kисп
Kэф
Kобн
Kинт
318 499,5
2015
0,444
0,9
0,9
0,809
Таблица 3.9
Показатели эффективности лаборатории
«Мобильные робототехнические устройства» УЛК
Стоимость оборудования, руб.
Год покупки
Kисп
Kэф
Kобн
Kинт
2 192 000
2015
1,00
0,9
0,9
0,953
Таблица 3.10
Показатели эффективности лаборатории
«Промышленные робототехнические системы» УЛК
Стоимость оборудования, руб.
Год покупки
Kисп
Kэф
Kобн
Kинт
3 355 627
2016
0,667
0,9
1,0
0,884
59
Таблица 3.11
Показатели эффективности лаборатории
«Разомкнутые системы автоматического управления» УЛК
Стоимость оборудования, руб.
Год покупки
330 000
2015
Kисп
Kэф
Kобн
Kинт
0,9
0,840
0,667 0,667
Таблица 3.12
Показатели эффективности лаборатории
«Замкнутые системы автоматического управления» УЛК
Стоимость оборудования, руб.
Год покупки
Kисп
Kэф
Kобн
Kинт
650 000
340 000
2016
2011
0,667
0,667
0,8
0,8
1,0
0,6
0,871
0,814
Таблица 3.13
Показатели эффективности лаборатории
«Микропроцессорная техника и ПЛИС» УЛК
Стоимость оборудования, руб.
Год покупки
Kисп
Kэф
Kобн
Kинт
185 863,62
92 580
2013
2015
0,444
0,444
0,9
0,93
0,7
0,9
0,787
0,810
Таблица 3.14
Показатели эффективности лаборатории
«Дискретные системы автоматического управления» УЛК
Стоимость оборудования, руб.
Год покупки
Kисп
Kэф
Kобн
Kинт
1 253 990
950 600
2014
2016
0,667
0,667
0,8
0,8
0,9
1,0
0,866
0,871
Используя полученные значения интегральных показателей
эффективности лабораторий, входящих в состав УЛК, можно оценить эффективность функционирования УЛК в целом (табл. 3.15)
в части удовлетворения требованиям, сформулированным выше и
направленным на повышение качества подготовки специалистов.
Таблица 3.15
Показатели эффективности УЛК
60
Kисп
Kэф
Kобн
Kинт
0,605
0,881
0,826
0,851
В результате значение интегрального показателя эффективности УЛК, определенное по средним значениям показателей эффективности лабораторий, составило 0,851.
Поскольку максимально возможное значение данного показателя равно 1, то полученная величина, представляющая собой косвенную оценку влияния на качество подготовки специалистов по
образовательным программам, реализуемым Институтом инновационных технологий в электромеханике и робототехнике ГУАП,
свидетельствует о достаточно высоком уровне подготовки.
61
4. ПРАКТИКО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ ПОДГОТОВКА
КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СПЕЦИАЛИСТОВ
В УСЛОВИЯХ БЫСТРОИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ МИРА
4.1. Общие замечания
Практико-ориентированное обучение предполагает решение
задачи определенного конфликта интересов, который неизбежно
возникает между всеми сторонами, в большей или меньшей степени включенными в образовательный процесс (государство, образовательная организация, обучающийся и работодатель). При этом
каждая из сторон может по-своему оценивать качество образования (качество подготовки специалиста) в зависимости от того, что
понимается под термином качество.
Сложность решения вопроса повышения качества подготовки
специалиста заключается еще и в том, кого следует считать конечным потребителем результата процесса образования, поскольку в
ответе на данный вопрос заключается основной конфликт интересов, достаточно подробно рассмотренный в литературе [10].
Основные стороны данного конфликта:
• обучающийся, если результат образовательной деятельности –
это сам процесс обучения;
• работодатель, если результат образовательной деятельности –
это подготовленный в процессе обучения специалист;
• государство, если результат процесса обучения это не только
специалист в своей области, но и личность, сформированная в соответствии с запросами государства.
В первом случае повышение качества образования, по сути, сводится к повышению качества самого учебного процесса и реализации интересов личности обучающегося, которые могут быть сформулированы следующим образом:
• набор теоретических знаний и практических умений, навыков, необходимых для будущей профессиональной деятельности,
связанной, в том числе, с обеспечением материального благосостояния; • развитие личностных и профессиональных качеств, таких
как: уровень интеллекта, эрудиция, абстрактное мышление, организаторские способности, самостоятельность в принятии решений,
чувство ответственности за свои действия и т. д; С точки зрения потенциального работодателя, т. е. предприятия
или организации, занимающейся производством товаров или ус62
луг, либо другой общественно значимой деятельностью, основная
цель заключается в повышении эффективности своей деятельности. При этом под эффективностью можно понимать не только прибыль, но и выполнение социально значимых функций, возможно
не ориентированных на получение прибыли. С точки зрения работодателя [10], выпускники вузов должны
обладать: • достаточными практическими и теоретическими знаниями и
навыками, для того чтобы обеспечить высокую производительность
труда, снизить непроизводительные затраты предприятия на дообучение и переподготовку кадров или оправдать затраты средств на
подготовку специалистов (при заключении договоров с вузами); • развитыми профессиональными качествами, необходимыми
для выполняемой ими работы (инициативность, организаторские
способности и т. д.); • высокой работоспособностью, что предполагает наличие крепкого здоровья и высокой физической выносливости. Наконец, рассматривая государство в качестве основного заказчика, выражающего интересы общества (поскольку именно государство определяет объем средств федерального бюджета в области образования), можно сформулировать следующие требования
общества к высшему образованию [10]: • подготовка кадров высшей квалификации, способных решать
творческие задачи, проводить фундаментальные и прикладные исследования, обеспечивающие прогресс во всех областях знаний и
отраслях народного хозяйства; • подготовка высококвалифицированных специалистов, способных эффективно решать практические задачи в различных отраслях деятельности; • воспитание высокообразованных, культурно и нравственно
развитых личностей, способных сохранить и обогатить национальную культуру; • подготовка (совместно с системой здравоохранения) физически развитых и здоровых личностей путем физического воспитания студентов.
Если говорить о внутренних потребителях вуза, который вступает одновременно и участником процесса обучения, и потребителем результатов, то в этом случае в двойственном положении находятся и обучающиеся. Они являются «исходным сырьем» для вуза
(в виде абитуриентов), внутренним потребителем образовательных
услуг, участниками образовательного процесса и конечной продук63
цией вуза в качестве подготовленных специалистов [10, 11]. Кроме
того, если вуз готовит специалистов для собственных нужд (подготовка научных сотрудников, специалистов высшей квалификации, преподавателей), то выпускники рассматриваются как будущие научно-педагогические кадры (наемные работники).
Кроме того, любой вуз в качестве основной цели рассматривает повышение качества образования как средство, которое должно
привлекать абитуриентов, быть заметным и значимым для академического сообщества, государства, общества и работодателей,
рынка труда и образовательных услуг.
Поэтому для достижения целей всех заинтересованных сторон
вуз должен:
• заботиться о ресурсном, в том числе материально-техническом
обеспечении научно-образовательного процесса, при этом не только привлекать высококвалифицированные преподавательские кадры; обеспечить себя финансовыми средствами из разных источников, необходимой литературой, доступом к современным информационным ресурсам, современной материально-технической базой,
а также осуществить набор абитуриентов с высоким исходным потенциалом (высокими результатами ЕГЭ); • создавать условия для активного участия студентов в научно-исследовательской работе, имеющей практический результат,
культурной, спортивной деятельности; • устанавливать связи с предприятиями для практической подготовки студентов, в идее базовых кафедр и совместных учебно-научно-исследовательских лабораторий, а также развивать программы практико-ориентированной подготовки в самом вузе. В итоге, как показывает анализ потребностей всех заинтересованных в повышении качества подготовки специалистов сторон,
можно выделить основные требования к выпускнику вуза, которые
должны быть сформированы в процессе обучения [10]: • хорошая теоретическая база (совокупность теоретических знаний в определенной области, необходимых для применения выпускниками в профессиональной деятельности); • практические навыки, умения, опыт (умение решать практические задачи, используя теоретическую базу); • научный потенциал (способность решать научно-практические задачи); • личностно-психологические характеристики, необходимые
для профессиональной деятельности (интеллект, критическое
мышление, аналитические способности, организаторские способ64
ности, ответственность, инициативность, коммуникабельность,
исполнительность и т. п.); • уровень воспитания (воспитанность, адекватное поведение в
обществе); • общекультурный уровень, образованность (всесторонняя развитость, кругозор и т. д.); • физическое здоровье. Все эти составляющие качества подготовки для разных заинтересованных сторон, целей и ситуаций имеют разную степень важности, но вузу необходимо обеспечить, по возможности, как можно
более высокий уровень всех компонентов качества. Как уже указывалось ранее, новые революционные технологии
требует новых специалистов, поддерживающих и развивающих
их, но сами специалисты «рождаются» в результате обучения в
технических университетах. При этом вновь «рожденные» инженеры должны обладать как знаниями сегодняшнего дня, так и
компетенциями будущего. Как обеспечить подготовку инженера,
обладающего знаниями настоящего в целом понятно, но что нужно сделать, чтобы удовлетворить потребности будущего – вопрос
более сложный. Одним из подходов к решению данной проблемы
является, в том числе, технология практико-ориентированной подготовки, реализуемая в ГУАП. При этом наряду с идеологией, принятой Институтом инновационных технологий в электромеханике
и робототехнике ГУАП, мегафакультет компьютерных технологий
и управления Университета ИТМО при реализации программ бакалавриата и магистратуры рассматривает перспективную модель, в
рамках которой не существует одного руководителя образовательной программы, но имеет место триумвират, состоящий из представителей университета, российской промышленности и глобального
индустриального лидера. Данная модель обусловлена следующими
соображениями.
• Сотрудник университета (в рамках, которого происходит реализация образовательной программы) является связующим звеном
между представителями индустрии и сообществом студентов, методистов, образовательных стандартов и всего прочего, являющегося неотъемлемой частью высшего образования. По сути дела, руководитель образовательной программы со стороны университета
является проводником и адаптером кадровых запросов индустрии
в образовательной среде.
• Представитель российской промышленности – это, как правило, сотрудник или сотрудники (возможно руководящий состав),
65
представляющие индустриальные предприятия Российской Федерации и, по сути, как указывалось ранее в этой главе, олицетворяющие государство, выступающее в качестве основного заказчика.
• Глобальный индустриальный лидер – это высокотехнологичная компания или корпорация, формирующая основные компетенции инженера будущего. На взгляд авторов монографии, стратегии
развития глобальных высокотехнологичных компаний уже в некотором смысле опережают настоящее и предсказывают будущее. Поскольку университету крайне необходимо осуществлять форсайст,
чтобы «играть на опережение» в подготовке инженеров будущего,
то целесообразно проводить свою собственную аналитику, а также
использовать аналитику, которую разрабатывают и с большой долей вероятности будут проводить в жизнь глобальные высокотехнологичные компании. В качестве примеров таких компаний можно привести: Volkswagen Group, Apple, Microsoft и др.
Таким образом, важным шагом в перестройке организации образовательной программы являются ее изменения с позиции понимания компетенций инженера будущего (но не будущего инженера), а также внедрения этих компетенций с использованием практико-ориентированного подхода, обеспечивающего, в том числе,
базовые и фундаментальные знания, служащие фундаментом для
развития инженера.
Но при этом вся инженерная подготовка должна быть пронизана научными знаниями и научными разработками студентов, поскольку наука всегда опережает свое время и подготовка студента
с погружением в науку опосредованно обеспечивает и его инженерные компетенции будущего. На мегафакультете КТиУ Университета ИТМО студенты погружаются в крупные научные проекты, связанные с тематикой киберфизических систем и получают навыки
научно-практической работы, которая, с одной стороны, позволит
им успешно занять «место под солнцем» в рамках технологий сегодняшнего дня, но с другой стороны, обеспечивает подготовку для
успешного освоения технологий будущего.
В качестве примеров практико-ориентированных научных тематик можно выделить следующее.
1. Интеллектуальное конфигурирование и интероперабельность
данных CPS (имитационные 3D-модели для высокотехнологичных
компаний).
2. Адаптивное управление киберфизическими системами в условиях вычислительных и коммуникационных ограничений (системы управления группой мобильных объектов в транспортных
66
системах; прецизионный и энергоэффективный электропривод для
радиотелескопов; системы контроля бортовых энергетических систем) [12–18].
3. Навигационное обеспечение киберфизических систем (экспериментальные образцы модифицированного GPS-компаса, содержащий спутниковые приемники; помехоустойчивые алгоритмы комплексной обработки микромеханических, дальномерных
и одометрических датчиков системы индивидуальной навигации
в условиях помех при движении в городских условиях; помехоустойчивые алгоритмы обработки избыточной навигационной информации, обеспечивающие эффективное решение задач ориентации, навигации и управления подвижными объектами, включая
алгоритмы адаптивной обработки) [19–22].
4. Проактивные системы повышения безопасности управления
CFS (интегрированные интеллектуальные СППР (ИИ СППР) для
проактивного управления CPS; модели и методы мониторинга комплексной безопасности).
Данные научные тематики обладают не только большим значением для фундаментальной науки, но и системообразующей ролью
для отраслей будущего.
4.2. Опыт реализации практико-ориентированной подготовки
в Институте инновационных технологий
в электромеханике и робототехнике ГУАП
Как было отмечено выше, одним из направлений работы Института инновационных технологий в электромеханике и робототехнике ГУАП по реализации перспективного плана работы по развитию УЛК является создание современных учебно-лабораторных
комплексов с использованием базы университета при участии в
этой работе бакалавров и магистров.
Фактически этот раздел плана констатирует тот факт, что не все
необходимое материально-техническое обеспечение учебного процесса можно купить в фирмах-производителях лабораторного оборудование.
Безусловно, производители заинтересованы в достаточно широком рынке сбыта продукции, а следовательно, работают на достаточно массового потребителя в лице образовательных организаций,
обеспечивая их потребности по широко представленным в учебных
планах подготовки специалистов дисциплинам.
67
Этого оказывается недостаточно для качественной подготовки
студентов с учетом того обстоятельства, что учебные планы подготовки бакалавров, а особенно магистров, требуют наличия у образовательной организации лабораторного оборудования, учитывающего специфику специальных дисциплин, либо создание лабораторных комплексов общеобразовательных дисциплин с привлечением бакалавров.
Таким образом, неизбежно возникает задача разработки и создания учебно-исследовательских комплексов, которые закрывают
потребности соответствующей образовательной программы и фактически делают необходимым изготовление учебного оборудования
лабораторий, которое относится к разряду «не достать и не купить».
Такое положение является своего рода плацдармом для развития в вузе практико-ориентированного подхода к образовательному процессу, о котором в том или ином виде ведется достаточно
много разговоров на разных уровнях и делаются удачные попытки
реализации на практике.
Одним из приоритетов развития учебно-лабораторного комплекса института является разработка и создание исследовательских
лабораторных установок с участием бакалавров и магистров.
Опыт работы Института инновационных технологий в электромеханике и робототехнике в этом направлении показал свою действенность в плане повышения общего уровня подготовки выпускников. Причем особое значение имеет то обстоятельство, что при
решении комплексной технической задачи проекта привлекаются
студенты всех направлений подготовки, реализуемых институтом.
Это дает возможность обеспечивать компетенции образовательных
стандартов, связанные с работой в составе единого коллектива исполнителей, объединенных решением общей технической задачей.
Электроэнергетический комплекс
открытой архитектуры
Примером практико-ориентированной подготовки студентов в
полной мере является реализованный Институтом инновационных
технологий в электромеханике и робототехнике проект разработки, создания и исследования электроэнергетического комплекса
открытой архитектуры [23–27].
Начало работе было положено в ходе выполнения гранта Российского фонда фундаментальных исследований «Моделирование
процессов в комбинированной солнечно- и ветроэнергетической
установке со сверхпроводниковыми устройствами», в рамках кото68
рого была разработана концепция построения комбинированного
комплекса со сверхпроводниковым оборудованием (рис. 4.1).
Проект установки экспонировался на Международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» в
Санкт-Петербурге, где был отмечен диплом I степени (с вручением
золотой медали).
В ходе реализации проекта при непосредственном участии студентов института были спроектирован, созданы и испытаны образцы отдельных элементов комплекса: сверхпроводниковый синхронный ветрогенератор (рис. 4.2) и сверхпроводниковые силовые
Рис. 4.1. Комбинированная солнечно- и ветроэнергетическая установка
со сверхпроводниковым оборудованием
Рис. 4.2. Сверхпроводниковый ветрогенератор мощностью 5кВт
69
регуляторы тока, которые также экспонировались на Международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» в Санкт-Петербурге и Петербургской технической ярмарке в 2013 году, где были отмечены диплом I степени (с вручением
золотой медали) за разработку «Сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии» и дипломом II степени (с вручением серебряной медали) за разработку «Высокотемпературная сверхпроводниковая ветроэнергетическая установка», соответственно.
В состав данного комплекса входят сверхпроводниковый синхронный ветрогенератор мощностью 5 кВт, солнечная батарея, а
также преобразователи напряжения и аккумуляторы [23].
Все оборудование комплекса, с точки зрения управления, как в
нормальном, так и аварийных режимах, обеспечивается контроллером, реализующем алгоритм управления для структуры системы
автоматического управления, показанной на рис. 4.3. [23, 24].
Контроллер
батареи
Нагрузка
постоянного
тока
Контроллер
+
Солнечная солнечной
батареи Аккумулятор
батарея
Инвертор
Нагрузка
переменного
тока
Ветро Генератор
колесо
Контроллер
СПИН Преобразователь
ветрогенератора
СПИН
Ethernet
Система
управления
Рис. 4.3. Структурная схема комбинированной сверхпроводниковой
электроэнергетической установки
70
Отдельные элементы комплекса проектировались, изготавливались и испытывались в период 2013–2015 годов, что давало возможность в течение всего периода времени выполнять на основе решения
практических научных и инженерно-технических задач достаточно
большое число выпускных квалификационных работ, результаты
которых представлялись на конференциях и выставках различного
уровня. Часть выпускных работ бакалаврами и магистрами выполнялась по тематике Комитета по энергетике Правительства СанктПетербурга и была отмечена дипломами победителей конкурса, что
говорит о высоком уровне подготовки выпускников, которая была
достигнута, в том числе, за счет активного применения в учебном
процессе института практико-ориентированного подхода.
В 2016 году основная задача, которая решалась в рамках данного проекта, заключалась в объединении отдельных элементов комплекса в единую систему автоматического управления.
Были разработаны законы управления, обеспечивающие функционирование комплекса во всех режимах работы, включая аварийные. К разработке как законов управления, так и программного обеспечения привлекались студенты направлений «Управление
в технических системах» и «Мехатроника и робототехника», а
программы испытаний разрабатывались студентами направлений
«Электромеханика» и «Техническая физика» под руководством
преподавателей института.
Таким образом, выполнение проекта стало для всех студентов
института тем объединяющим началом, которое в перспективе будет ими применяться в условиях реального производства, где, как
известно, решение сложных научных и инженерных задач требует
усилий специалистов различных направлений.
Успешные испытания исследовательского электроэнергетического комплекса открытой архитектуры (рис. 4.4) дают возможность внедрения его в учебный процесс подготовки как магистров,
так и аспирантов всех направлений подготовки института.
Открытая архитектура комплекса предполагает возможность
подключения к системе дополнительных электроэнергетических и
электромеханических элементов и устройств, разработка и исследование которых входят в учебные планы подготовки бакалавров
и магистров по направлениям «Электромеханика», «Техническая
физика».
Решение задач, связанных с разработкой и реализацией законов
управления, учитывающих многорежимность системы и внешние
воздействия, входит в дисциплины учебных планов подготовки
71
Рис. 4.4. Испытания электроэнергетического комплекса
72
студентов как направления «Управление в технических системах»,
так и «Мехатроника и робототехника».
Наконец, для профиля подготовки «Менеджмент в электроэнергетике» исследовательский комплекс дает возможность практической оценки результатов разработки бизнес планов, рискменеджмента и т.д.
Учебно-исследовательский комплекс
«Система автоматического управления
бортовой антенной установкой»
Учебно-исследовательский комплекс, созданный в УЛК Института инновационных технологий в электромеханике и робототехнике, представляет собой реальную систему автоматического
управления, в которой в качестве объекта управления рассматривается бортовая антенна летательного аппарата (рис. 4.5) [28–33].
Работа над проектом содержала все элементы опытно-конструкторских работ, что, безусловно, cтало хорошим опытом для
студентов, участвовавших в реализации проекта, поскольку они
имели возможность не только решать сложные инженерно-техни-
Рис. 4.5. Учебно-исследовательский комплекс
«Система автоматического управления бортовой антенной»
73
ческие задачи, но и участвовать в работах, которые являются неотъемлемой частью любых научных исследований: смета расходов,
решение вопросов комплектации оборудованием и материалами,
монтаж и настройка элементов и узлов системы автоматического
управления при соблюдении сроков календарного плана работ.
Исследовательский комплекс строился по блочно-модульному
принципу, не только заданным образом конфигурирующему весь
исследовательский стенд, каждый модуль которого выполняет
вполне определенные функции (рис. 4.6–4.8), и дал возможность
распараллеливания работ отдельных научных групп студентов.
Это, с одной стороны, позволяло каждой группе работать автономно, при этом требовалось согласовать получаемые результаты с другими группами, общие сроки и отчетность по этапам.
Поскольку в данном исследовательском комплексе обеспечена
возможность снятия статических и динамических характеристик
всех элементов и устройств, которые входят в ее состав, то студенты
могут:
• разрабатывать математические модели и отдельных устройств
и системы управления в целом и проводить оценку их адекватности
результатам реальных экспериментальных исследований;
Рис. 4.6. Модуль «Блок питания САУ»
74
Рис. 4.7. Модуль «Элементы САУ»
Рис. 4.8. Модуль импульсных модуляторов и измерений
75
• на основе технического задания осуществлять разработку закона управления различными методами;
• проводить разработку и изготовление устройств коррекции
(регулятора) как в непрерывном, так и импульсном варианте на необходимой элементной базе;
• исследовать динамические характеристики системы автоматического управления с регулятором, который является результатом
их проектной деятельности.
Таким образом, учебно-исследовательский комплекс «Система
автоматического управления бортовой антенной» рассматривается
институтом не только как проект в рамках практико-ориентированной подготовки, позволяющий пополнить материально-техническое обеспечение лаборатории «Замкнутые системы автоматического управления», но и как средство обучения, которое дает возможность продолжать работу в направлении практико-ориентированной подготовки.
76
Библиографический список
1. ФГОС ВО по направлению подготовки 27. 03. 04 Управление в технических системах. Утвержден приказом Министерства образования и науки
Российской Федерации от 20 октября 2015 г. № 1171.
2. ФГОС ВО по направлению подготовки 27. 04. 04 Управление в технических системах. Утвержден приказом Министерства образования и науки
Российской Федерации от 30 октября 2014 г. № 1414.
3. Антропов В. А., Прокопьев В. П., Рогожин С. А. Материально-техническое обеспечение подготовки специалистов в вузах региона // Межрегиональная науч. -практ. конф. «Развитие экономики региона: инновации, инвестиции, менеджмент». Екатеринбург, 24–25 апр. 2001.
4. Рогожин С. А. Материально-техническое обеспечение учебного процесса – необходимое условие качества образования // Университетское управление: практика и анализ. 2004. № 4(32). С. 19–26.
5. Конова Т. А., Нестеров В. Л. Оценка эффективности использования
материально- технической базы вузов в системе показателей качества подготовки специалистов // Фундаментальные исследования. 2014. № 12–10.
С. 2103–2107.
6. Конова Т. А., Антропов В. А., Нестеров В. Л. Научно-методические
основы организации материально-технического обеспечения подготовки
кадров для нужд железнодорожного транспорта. Екатеринбург: УрГУПС,
2015. 211 с.
7. Сенашенко В. С., Жалнина Н. В. Качество высшего образования и система зачетных единиц // Высшее образование в России. 2004. № 5. С. 14–18.
8. Методические рекомендации по лицензированию основных образовательных программ высшего профессионального образования (руководство
эксперта). М.: Национальный институт бизнеса, 2006. 39 с.
9. Нестеров В. Л. Формирование показателей качества подготовки специалистов в вузе // Вестник Уральского государственного университета путей
сообщения. 2013. № 4 (20). С. 41–48.
10. Щеглов П. Е., Никитина Н. Ш. Качество высшего образования. Риски
при подготовке специалистов // Университетское управление: практика и
анализ. 2003. № 1(24). С. 46–59.
11. Марухина О., Берестнева О. Системный подход к оценке качества образования // Стандарты и качество. 2002. № 4. С. 35.
12. Бобцов А. А. Адаптивное и робастное управление неопределенными
системами по выходу. СПб.: Наука, 2011. 174 с.
13. Арановский С. В., Бобцов А. А. Идентификация гармонических сигналов. Адаптивные методы в непрерывном времени. Издательский дом: LAP
LAMBERT Academic Publishing, 2011. 123 с.
14. Николаев Н. А., Бобцов А. А. Управление нелинейными системами по
выходу. Синтез алгоритмов адаптивного и робастного управления. Издательский дом: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011. 184 с.
15. Бобцов А. А., Пыркин А. А. Адаптивное и робастное управление с компенсацией неопределенностей: учеб. пособие. СПб.: НИУ ИТМО, 2013. 135 с.
16. Бобцов А. А., Никифоров В. О., Пыркин А. А. и др. Методы адаптивного
и робастного управления нелинейными объектами в приборостроении: учеб.
пособие. СПб.: НИУ ИТМО, 2013. 277 с.
77
17. Бобцов А. А. Адаптивное управление по выходу с компенсацией гармонического смещенного возмущения // Известия РАН. Теория и системы
управления. 2009. № 1. С. 45–48.
18. Итеративный алгоритм адаптивного управления по выходу с полной
компенсацией неизвестного синусоидального возмущения / А. А. Бобцов,
С. А. Колюбин, А. С. Кремлев, А. А. Пыркин // АиТ. 2012. № 8. С. 64–75.
19. Парамонов П. П., Бобцов А. А., Видин Б. В. и др. Имитационное моделирование электрологических отказов в бортовых цифровых вычислительных системах: учеб. пособие, СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. 64 с.
20. Парамонов П. П., Бобцов А. А., Видин Б. В. и др. Проектирование систем бортового информационного обмена и их функциональных элементов:
монография. Тула: Гриф и К, 2010. 208 с.
21. Бобцов А. А., Пыркин А. А., Суров М. О. Управление ориентацией летательного аппарата с неизвестным тензором инерции // Мехатроника, автоматизация, управление. 2013. № 3. C. 65–70.
22. Бобцов А. А., Ведяков А. А., Колюбин С. А. и др. Гибридный алгоритм
управления по выходу с компенсацией неизвестного мультисинусоидального возмущения // Известия вузов. Приборостроение. 2013 № 4. C. 7–10.
23. Турубанов М. А., Шишлаков В. Ф., Шишлаков А. В. Импульсная система управления комбинированной солнечно-ветроэнергетической установкой со сверхпроводниковым оборудованием // Информационно-управляющие системы. 2014. № 3. С. 8–18.
24. Шишлаков В. Ф. и др. Концепция построения интеллектуальных защищенных систем управления для объектов децентрализованной энергетики // Труды СПИИРАН. Вып. 2(33). 2014. С. 207–226.
25. Шишлаков В. Ф., Цветков С. А., Шишлаков Д. В. Синтез и моделирование автономной электроэнергетической установки // Информационноуправляющие системы. 2008. № 4. С. 12–14.
26. Шишлаков В. Ф., Цветков С. А., Шишлаков Д. В. Исследование анормальных режимов работы автономной электроэнергетической установки //
Информационно-управляющие системы. 2009. № 1. С. 15 –20.
27. Ветроэнергетические установки: принципы построения, техникоэкономическая оценка эффективности: учеб. пособие / под ред. В. Ф. Шишлакова. СПб.: СПбГУАП, 2014. 89 с.
28. Проектирование электромеханических систем автоматического
управления малой мощности: учеб. пособие / под ред. В. Ф. Шишлакова.
СПб.: СПбГУАП, 2013. 198 с.
29. Электроника: учеб. пособие / под ред. В. Ф. Шишлакова. СПб.:
СПбГУАП, 2015. 216 с.
30. Моделирование элементов и устройств электромеханических систем:
учеб. пособие / под ред. В. Ф. Шишлакова. СПб.: СПбГУАП, 2007. 148 с.
31. Проектирование электронных усилительных устройств малой мощности: учеб. пособие / под ред. В. Ф. Шишлакова. СПб.: СПбГУАП, 2015. 99 с.
32. Шишлаков В. Ф., Бураков М. В. Адаптивное управление двигателем
постоянного тока // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016. Т. 18. № 4(3). С. 542–547.
33. Электропривод с микропроцессорнами системами управления: учеб.
пособие / под ред. В. Ф. Шишлакова. СПб.: СПбГУАП, 2016. 123 с.
78
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.................................................................................... 1. Мегафакультет компьютерных технологий и управления
Университета ИТМО.................................................................... 1.1. Общая информация о мегафакультете................................. 1.2. Развитие образовательной деятельности мегафакультета
как инструмент повышения качества подготовки элитных
инженерных кадров................................................................ 1.3. Повышение качества подготовки студентов путем развития
научных исследований и разработок мегафакультета.................. 1.4. Внедрение результатов научных исследований и опытноконструкторских разработок – необходимое условие повышения
качества подготовки специалиста............................................. 1.5. Показатели результативности мегафакультета..................... 2. Институт инновационных технологий в электромеханике
и робототехнике ГУАП................................................................ 2.1. Организационные и методические решения по созданию
учебно-лабораторного комплекса.............................................. 2.2. Материально-техническое обеспечение учебнолабораторного комплекса........................................................ 2.3. Методическое обеспечение УЛК.......................................... 3
4
7
10
12
22
23
26
27
32
49
3. Оценка влияния материально-технического обеспечения
образовательного процесса на качество подготовки специалистов...... 51
3.1. Критерии оценки влияния материально-технического
обеспечения на качество подготовки инженерных кадров............ 51
3.2. Оценка эффективности использования учебно-лабораторных
комплексов в процессе подготовки инженерных кадров............... 55
4. Практико-ориентированная подготовка как средство повышения
качества специалистов в условиях быстроизменяющегося мира ........ 62
4.1. Общие замечания............................................................. 62
4.2. Опыт реализации практико-ориентированной подготовки
в институте инновационных технологий в электромеханике
и робототехнике ГУАП............................................................ 67
Библиографический список.......................................................... 77
Научно-практическое издание
Бобцов Алексей Алексеевич,
Шишлаков Владислав Федорович
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОДГОТОВКИ
ИНЖЕНЕРНЫХ КАДРОВ В ОБЛАСТИ
КИБЕРФИЗИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Редактор А. В. Подчепаева
Компьютерная верстка С. Б. Мацапуры
Сдано в набор 05.09.16. Подписано к печати 10.10.16.
Формат 60×84 1/16. Усл. печ. л. 4,7. Уч.-изд. л. 5,0.
Тираж 500 экз. (1-й завод 100 экз.). Заказ № 538.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
8 067 Кб
Теги
bobcovshishlakov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа