Educational Technology & Society 11(1) 2008

ISSN 1436-4522

Формирование и развитие компетенции инженера в рамках учебной дисциплины в метрическом компетентностном формате

С.Д. Старыгина., Н.К. Нуриев

кафедра информатики и прикладной математики

Казанский государственный технологический университет, Казань

nurievnk@mail.ru, svetacd_kazan@mail.ru

аннотация

В любой дидактической системе, предназначенной для подготовки инженеров к профессиональной деятельности, основным элементом является учебная дисциплина. В работе дается ответ на вопрос, в каком формате необходимо организовать обучение в рамках дисциплины, для того, чтобы композиция освоенных дисциплин будущим инженером давала бы возможность сформировать инженерную компетенцию и измерить ее состояние.

Ключевые слова

дисциплина, компетенция, компетентностный подход, полнота и целостность знаний, проектно-конструктивные способности

 

Основным недостатком традиционной образовательной системы является, то, что из-за общей информатизационной глобализации и возрастания сложности инженерных проблем будущий инженер за отведенное время обучения не может на основе имеющихся учебных материалов и учебной деятельности, ограниченных в рамках конкретных дисциплин формате, сформировать в своей когнитивной сфере профессионально-ориентированную единую инженерную компетенцию (как подсистему (организацию) психики). В тоже время владение компетенцией является необходимым и во многом достаточным условием для решения потока сложных проблем в определенном направлении профессиональной деятельности. При этом опыт многих передовых в инженерии стран показывает, что формирование инженерной компетенции целесообразнее организовать в два этапа. Первый этап - формирование общей инженерной компетенции, в определенной направлении деятельности, второй этап (среди лучших из первого этапа) – формирование специальной инженерной компетенции по решению сложных проблем в довольно узкой области деятельности. В целом, это все потребовало организацию двухступенчатой образовательной системы, т.е. подготовки инженеров-бакалавров в определенной направлении, владеющих общей инженерной компетенцией и инженеров-магистров, владеющих специальной компетенцией в определенном направлении деятельности. Владение специальной инженерной компетенцией, должно позволить им решать сложные проблемы, но в узкой области деятельности.

На практике достаточный уровень развития компетенции в определенном направлении внешне выражается, как умение надежно решать проблемы в этом направлении, т.е. в способности инженера используя свою компетенцию через свою деятельность трансформировать профессиональную проблему в продукт.

Из контекста сказанного следует, что учебная дисциплина является главным элементом дидактической системы подготовки инженера, т.к. формирование, развитие и становление инженерной компетенции по определенному направлению и профилю инженерной деятельности происходит через организованную учебную деятельность по решению проблем в рамках дисциплин. На рис. 1 (в стандарте SADT функционального моделирования) [1] показан пример схемы интеграции потоков учебных проблем решаемых через учебную деятельность.

 

Рис. 1. Функциональная модель интеграции потоков учебных проблем и компетенций, рассматриваемых в рамках дисциплин в единую инженерную компетенцию

В целом, как показано на рис. интегративный процесс, формирования инженерной компетенции происходит следующим образом: через решение учебных проблем (поток 1) и освоение знаний, будущий инженер овладевает частью инженерной компетенции, т.е. он через организованную учебную деятельность развивает в себе способность решать проблемы, рассматриваемые в рамках дисциплины 1. Аналогично, он разовьет в себе способность решать проблемы, рассматриваемые в рамках дисциплин 2 и 3. На этом примере дисциплина 4 является интегрирующей, т.е. там рассматриваются все эти проблемы в комплексе, для решения которых необходимы способности, развитые в рамках дисциплин 1, 2, 3, но они оказываются недостаточными. В результате, через новую организованную учебную деятельность он приобретает знания и развитие способностей, что позволяет в рамках дисциплины 4 сформировать качественно новую часть инженерной компетенции. Разумеется, этот процесс интеграции продолжается до полной сформированности и развитости инженерной компетенции, которая в дальнейшем позволит инженеру решать профессиональные проблемы в определенном направлении деятельности.

Таким образом, инженерная компетенция самоорганизуется как подсистема психики в результате целенаправленной внешней деятельности. Состояние развития компетенции характеризуется уровнями развития способностей в определенном направлении.

В этом интегративном процессе формирования  и развития инженерной компетенции через подготовку в рамках дисциплин выделим два кластера:

1.        Кластер профессионально-ориентированных дисциплин, предназначенных для развития инженерной компетенции по профилю подготовки.

2.        Кластер поддерживающих дисциплин, необходимых для развития инженера как личности, как производственного элемента в социуме, а так же поддержки дисциплин из первого кластера.

В контексте сказанного рассмотрим множество дисциплин, необходимых для подготовки инженеров в направлении «Информатика и вычислительная техника» по профилю «Информационные системы и технологии» (рис. 2). Построим топологическую карту дисциплин, в которой состояние овладения компетенцией у будущего инженера постепенно расширяется во времени за счет освоения последовательности дисциплин из центра к краю.

 

Рис. 2. Модель последовательного формирования и развития инженерной компетенции на основе освоения различных дисциплин (спецификация дисциплин приводиться в приложении)

Разумеется, при такой классификации одна и та же дисциплина, в зависимости от направления и профиля подготовки может попасть в разные кластеры. На рис. 3 рассматривается два направления подготовки: 1) информатика и вычислительная техника; 2) химические технологии. В первом случае дисциплина «Информатика» является элементом кластера профессионально-ориентированных дисциплин, а во втором – элементом кластера поддерживающих дисциплин.

Для того, чтобы дисциплина внесла максимальный вклад в формирование и развитие компетенции в этих направлениях они должны иметь разные законы распределения продолжительности учебной деятельности в рамках этой дисциплины. Очевидно, эти законы могут быть получены только в результате экспертизы.

 

Рис. 3. Законы распределения временных ресурсов развития компетенции в рамках дисциплины «Информатика» в разных направлениях подготовки

Опираясь на модели [2, 3] С.Л. Рубинштейна «Единства сознания и деятельности» и Л.Н. Леонтьева «Общность строения внутренней и внешней деятельности», а также исходя из логики и содержания инженерной деятельности, полученной в результате системного анализа [4] имеем:

1.        Эффективность деятельности инженера по решению проблем в определенной предметной области в основном зависит от уровня развития его проектно-конструктивных способностей, и от полноты, целостности его интеоризованных знаний.

2.        Подготовка инженера должна быть осуществлена в компетентностном формате, т.е. нацелена на развитие его естественных проектно-конструктивных (АВС) способностей до уровня личностных технологий (специальных способностей), которые в комплексе со знаниями гарантируют успешное решение профессиональных проблем.

3.        Метрический компетентностный формат подготовки инженера означает, что эта подготовка проходит в компетентностном формате в режиме мониторинга развития его способностей и интеоризации знаний до уровня достаточного для решения актуальных профессиональных проблем, т.е. развитие АВС-способностей и состояние интеоризованности знаний проходит под наблюдением и управлением специально спроектированной для этих целей дидактической системы до достижения в рамках этой системы определенных значений метрик.

4.        Функциональная модель дидактической системы с помощью которой, осуществляется подготовка инженеров в рамках профессионально-ориентированной дисциплины в метрическом компетентностном формате имеет вид, показанный на рис. 4.

5.         

Рис. 4. Функциональная модель учебной деятельности

Согласно этой модели функционирования, для подготовки инженера к решению проблем из определенной области деятельности (в рамках профессионально-ориентированной дисциплины) организуется учебная деятельность по решению учебных проблем, по которой будущий инженер учебную проблему (ПРОБЛЕМА) трансформирует в РЕЗУЛЬТАТ. При этом он проделывает следующие операции развивающие его АВС–способности и дополняющие его знания.

1.        Операция А, при которой ПРОБЛЕМА формализуется в когнитивной сфере на основе проблемной ситуации и знаний в этой области. Причем сложившаяся ментальная модель проблемы будет зависеть от адекватности уровня развития способностей; от формализации (параметр А) проблемы; от полноты (параметр POL), а также целостности (параметр CHL) знаний.

2.        Операция В, при которой на основе ментальной модели проблемы (проблемной ситуации) строится конструкт решения проблемы (ментальная модель конструкта). Разумеется, ментальная модель конструкта решения будет построена в рамках формализованной модели и зависеть от уровня развития конструктивных способностей (параметр В); а также будет зависеть от полноты и целостности знаний вообще,  и в области решения проблемы в частности.

3.        Операция С, при которой будущий инженер найденный конструкт решения как внешний процесс (через учебную деятельность) реализует в реальной среде. При этом у него в результате аккумулируются все неадекватности и неточности и незнания, которые он допустил при выполнении операций А и В, а также его результат будет масштабирован по эффективности решения уровнем развития исполнительских (параметр С) способностей и знаний.

4.        Операция «анализ результата». Очевидно, полученный результат располагается в интервале РЕШЕНИЕ НЕ ПОЛУЧЕНО до ПОЛУЧЕНО ЭФФЕКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ.

Показатель эффективности Э полученного РЕЗУЛЬТАТА формально может быть записан так

Э=ФУНКЦИЯ(<<A, B, C>, <POL, CHL>>).

Результат РЕШЕНИЕ НЕ ПОЛУЧЕНО свидетельствует о неразвитости АВС-способностей как личностных технологий в организации ведения внутренней и внешней деятельности, а также недостатке знаний как интериоризованного внешнего опыта решения подобных проблем.

Результат ПОЛУЧЕНО ЭФФЕКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ свидетельствует о развитости личностных технологий (АВС-способностей) и о достатке интериоризованных знаний для решения проблемы данной сложности. Разумеется для решения другой более сложной проблемы уровень развития АВС-способностей и интериоризованных знаний может оказаться недостаточным.

5.        Операция «приращение знаний и способностей». Через ОБРАТНУЮ СВЯЗЬ обучающиеся получают всю информацию о состоянии эффективности своего результата. Будущий инженер  в принципе сделал вывод о том, что рассматриваемая проблема находится (не находится) в зоне его ближайшего развития. В случае необходимости, возможности, желания, доступности он занимается учебной деятельностью, чтобы прирастить уровень развития своих АВС–способностей и знаний, т.е.

А(новое значение) = А(старое значение) + DА(приращение)

В(новое значение) = А(старое значение) + DВ(приращение)

С(новое значение) = С(старое значение) + DС(приращение)

POL(новое значение) = POL(старое значение) + DPOL(приращение)

CHL(новое значение) = CHL(старое значение) + DCHL(приращение)

Итак, с точки зрения внутренней деятельности инженера – компетенция это подсистема психики инженера, которую необходимо формировать за время их подготовки [3].

С точки зрения внешней деятельности, компетенция – это способность решать проблемы в определенной области деятельности [3].

Компетентность определяет требования к эффективности решения проблем в рамках направления деятельности (пороговые значения метрик гарантирующих решение проблем инженером в рамках направления деятельности с определенной надежностью). Принципиальная схема «стоп-кадр» мониторинга формирования компетенции, т.е. метрики состояния компетентности, показана на рис. 5, где в рамках модели дидактического элемента компетентностного формата показано состояние двух будущих инженеров U1 и U2.

Рис. 5. Модель состояния уровня развития компетенции двух будущих инженеров U1 и U2

В целом, крайними вариантами компетентностного формата являются варианты неметрического компетентностного формата (НКМ) и метрического компетентностного формата (МКФ) (рис. 6).

 

Рис. 6. Разные варианты компетентностного формата  (2-7 – метрический компетентностный формат; 1, 8-10 – неметрический компетентностный формат)

В результате, если построить конкретные техники вычисления величин A, B, C, POL, CHL, то будем иметь модель с метрическим компетентностным форматом.

Разумеется, чтобы деятельность инженера была бы эффективной, он должен руководствоваться определенной методологией.

Поэтому, в каждой области деятельности существует своя методология, как наука об организации, ведения, оценки результатов эффективности деятельности.

Освоенная инженером методология деятельности представляются в нем как личностные технологии (развитые способности) и приобретенные знания организации, ведения, оценки результатов своей деятельности, т.е. как компетенция в определенном направлении деятельности. Поэтому компетенция может быть определена как способность решать проблемы в определенном направлении деятельности.

Как следует из системного анализа деятельности инженера, проблемы бывают разной сложности, и чем сложнее проблема тем выше должны быть развиты способности, полнее и целостнее знания человека, который эти проблемы готов решить.

Для оценки сложности проблемы построим следующую цепочку рассуждений. Пусть некоторую проблему Х за предельно допустимое время работы Т может решить эксперт У со значениями показателей компетентности <А1, В1, С1, POL1, CHL1>. Следовательно, сложность проблемы Х можно оценить трудностью (трудоемкостью) ее решения экспертом У за время работы Т, т.е. сложность проблемы Х можно выразить через комплекс параметров <А1, В1, С1, POL1, CHL1, Т>.

Следует особо отметить, что Т – время исполнения одной единицы работы сложности <А1, В1, С1, POL1, CHL1>, т.е. производительность выполнения этой работы экспертом будет 1/Т (раб/час). Таким образом, в частности, можно говорить о производительности работы по формализации проблемы (работы типа А1); по конструированию решения проблемы (работы типа В1); по исполнению решения проблемы (работы типа С1), т.е. о величинах производительности работ 1/Т(А1) (раб/час), 1/Т(В1) (раб/час), 1/Т(С1) (раб/час) произведенные экспертом.

Очевидно. Чем выше уровень производительности труда в решении проблем, тем выше развиты АВС–способности и объемы знаний, поэтому значения метрик величин А, В, С можно взять

где k – безразмерный коэффициент масштабирования. Метрики величин POL и CHL, будем рассматривать в процентах освоения материла в рамках дисциплин.

Таким образом, каждая проблема (вернее ментальная модель проблемы – проблемная ситуация) имеет свою оценку сложности, т.е. является измеримым информационным объектом. В этом случае проблемы мы можем упорядочить по возрастанию сложности, взяв вектора системы компетентности за некоторую систему координат (рис. 7) и образовав тем самым метрическое проблемно-деятельностное образовательное пространство инженера (инженера-бакалавра, инженера-магистра).

 

Рис. 7. Метрическое проблемно-деятельностное образовательное пространство инженера

Очевидно, при подготовке инженерных кадров (инженеров-бакалавров, инженеров-магистров) речь идет о формировании у них разных уровней развития АВС-способностей и интериоризованности знаний, т.е. магистры будут подготовлены к решению проблем из зон с более сложными проблемами.

Следовательно, за четыре года обучения можно сформировать один профиль уровня развития способностей и интеоризованности знаний (профиль инженера-бакалавра), а потом из лучших, добавив еще 2 года можно сформировать другой профиль (инженера-магистра). В результате, получается, что исходя из многих критериев, в России социально и экономически выгодно введение двухступенчатой образовательной системы [5, 6].

При проектировании дидактических систем бывает неясно сколько времени необходимо для освоения того или иного курса в рамках дисциплины. Чтобы это сделать построим следующую логическую последовательность.

Из модели развития Л.С. Выготского [7] следует, что на актуальный момент развития, человек способен решать проблемы с определенной надежностью не вше определенной сложности, т.е. на актуальный момент каждый имеет определенную зону своего развития. Освоение в развитии следующей зоны – «зоны ближайшего развития» позволит ему решать более сложные проблемы. Таков общий поступательный механизм развития способностей человека по решению проблем.

С дидактической целью в рамках модели Выготского введем некоторые параметры и их метрики. На рис. 8 изобржены зоны развития и зоны ближайшего развития в виде овалов, т.е. развитие будущего инженера происходит, начиная с зоны 1, через зону ближайшего развития (зона 2) и т.д. Разумеется, освоение зон ближайшего развития происходит за счет учебной деятельности по решению проблем. Причем, продолжительность времени освоения проблем (развитие способностей и интериоризации знаний) за счет учебной деятельности и сложность освоенных им проблем изменяется в разных масштабах. В целом, тенденция следующая: небольшие приращения сложности проблем при освоении требуют, как правило, больших приращений во времени. Например, на рис. 8 демонстрируется случай, когда небольшое приращение по сложности DS требует для освоения большего приращения времени Dt.

 

Рис. 8. Модель нелинейного изменения сложности проблем (приращение D S) и времени их освоения (приращение Dt)

Приведем усредненные данные, требуемой продолжительности учебной деятельности для освоения обучаемым зоны ближайшего развития из зоны его развития. Усредненные данные получены в рамках учебной деятельности в рамках дисциплины «Моделирование систем» среди студентов четвертого курса, обучающихся по направлению «Информационные системы» в течении 4 лет (2004-2007 гг.).

 

Производительность решения проблем экспертом р (раб/час) – усредненные данные по учебному моделированию систем

Производительность учебной деятельности (лекции, практика, лабораторные работы) по научению решения проблемы с производительностью эксперта

t (раб/час)

0

0

1

3

2

12

3

24

4

38

 

По этим данным можно построить аппроксимирующую функцию вида t=ap2 (p>0).

На рис. 9. приводится графическое представление этой функции. В аналитическом виде эта аппроксимирующая функция имеет вид t=2,73p2.

 

 

Рис. 9. Зависимость продолжительности перехода из зоны развития в зону ближайшего развития в рамках дисциплины «Моделирование систем»

Очевидно, что в рамках любой дисциплины, опираясь на экспериментальные данные можно вычислить аналогичную зависимость. Причем коэффициент 2,73 будет характеризовать сложность освоения дисциплины в целом, т.е. трудность освоения «Моделирование систем» характеризуется коэффициентом 2,73.

Таким образом, известную модель Выготского освоение «зоны ближайшего развития» сделаем метрической в рамках определенной дисциплины, т.е. если имеется учебная дисциплина, то по рассмотренной методике можно рассчитать среднюю продолжительность ее освоения будущим инженером.

Очевидно, если все профессионально ориентированные дисциплины будут излагаться в едином метрическом компетентностном формате, то на этом «поле» дисциплин гораздо легче сформировать единую инженерную компетенцию, достаточного уровня развития для решения сложных проблем современной инженерии.

Литература

  1. Калянов Г.Н. Case структурный системный анализ (автоматизация и применение). – М.: «ЛОРИ», 1996. – 242 с.
  2. Рубинштейн С.Л. О мышлении и путях его исследования. – М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1958.
  3. Леонтьев А.Н. Деятельность. Сознание. Личность. – М.: Смысл, Издательский центр «Академия», 2005. – 352 с.
  4. Нуриев Н.К., Журбенко Л.Н., Старыгина С.Д. Системный анализ деятельности инженера (аспекты методологии инженерной деятельности). – Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2008. – 88 с.
  5. Колесов В. П. Двухступенчатое образование: 15 аргументов «за» // Высшее образование в России - 2006. – № 3. – С. 24 – 31.
  6. Дьяконов С.Г., Зиннурова Р.И. Концепция перехода к двухуровневой подготовке кадров // Высшее образование в России. – 2008. – № 2. – С. 68 – 74.
  7. Выготский Л.С. Развитие высших психологических функций. – М.: Изд-во АПН РСФСР, 1960. – 354 с.