Адаптивные образовательные программы на базе эмерджентных технологий

Введение

Система образования играет важную роль в технологическом суверенитете и экономическом лидерстве государства. Именно этим объясняется повышенное внимание к системе образования во всем мире. Экономическое развитие государств в XX веке показало, что экономический рост напрямую связан с массовым образованием. При этом ключевым фактором является качество образования, а не продолжительность. На различных этапах развития общества система образования играла различную роль: до XVII века – накопление знаний и их интерпретация, XVIII–XIX век – воспроизводство элит, XX век – подготовка кадров для индустриализации, XXI век – технологическое лидерство государства.

Новая промышленная революция сопровождается ростом скорости распространения технологий и внедрения инноваций. Если на рубеже XX–XXI веков продолжительность внедрения технологий составляла 3–4 года (на примере транспортной отрасли), то сегодня она составляет менее одного года. Стремительное развитие технологий обуславливает необходимость ускоренной актуализации образовательных программ. Сегодня технологии появляются и обновляются быстрее срока жизни образовательной программы. Требования российского регулятора обязывают актуализировать образовательные программы не реже 1 раза в год, однако сегодня даже этого недостаточно для образовательных программ в области техники и технологий.

Устойчивое развитие отраслей экономики требует заблаговременной, опережающей подготовки кадров. У образовательных организаций, реализующих технические программы, стоит сложная задача – подготовить специалистов для будущего, которое пока не наступило. Содержание образовательных программ должно меняться, сохраняя общую структуру и разделы, включающие фундаментальную и гуманитарную подготовку. Сегодня внесение изменений в образовательные программы осуществляется тремя вариантами: самими образовательными организациями, по инициативе бизнеса, а также извне – по инициативе регулятора и учредителя. Примером последнего варианта корректировки образовательных программ являются изменения в области: цифровой экономики, подходов к организации обслуживания инвалидов и лиц с ограниченными возможностями здоровья (в сфере транспорта), а также в области преподавания исторических дисциплин.

Возникает актуальная задача поиска автоматического или автоматизированного механизма корректировки образовательных программ. Такой механизм должен быть независимым от вмешательства участников образовательного процесса, обладать надежностью и прозрачностью, понятной как для бизнеса, так и для обучающихся. Ответом на вызовы могут стать адаптивные образовательные программы – динамические образовательные программы, меняющиеся на основе цифровой модели бизнеса.

Целью исследования является разработка образовательных программ на основе адаптивной модели с обратной связью и внедрение эмерджентных технологий в систему управления образовательными программами. Для достижения этой цели поставлены и решены следующие основные задачи: анализ возможности совершенствования процесса реализации образовательных программ на основе адаптивной цифровой модели экономических субъектов; анализ возможности совершенствования процесса реализации образовательных программ на основе эмерджентных технологий; апробация предложенных решений на примере отраслевых транспортных образовательных программ.

Методы исследования

Настоящее исследование является частью комплексного научного исследования, посвященного совершенствованию системы развития человеческого капитала, проводимого на базе Самарского государственного университета путей сообщения (СамГУПС) [1–7]. Методологической основой исследования являются: классическая экономическая теория, включающая теорию экономического роста и развития секторальной экономики на основе воспроизводства знаний и рынка труда; институциональная, эволюционная теории, основные направления ресурсной концепции. В исследовании использовались результаты научных исследований отечественных ученых, а также анализ экспертных мнений в области новых технологий, в том числе в сфере образования [8–17]. В ходе решения поставленных задач в статье применялись общенаучные методы: метод математического моделирования экономических субъектов, аналитический метод, сравнительно-аналитический метод и частно-научные методы: метод системного анализа, метод экспертных оценок.

1 Адаптивные образовательные программы

В основе адаптивной образовательной программы, предложенной ранее [2– 7], лежит цифровая модель бизнеса, описывающая процессы, протекающие на производстве, и управление ими (рис. 1). Предлагаемый вариант, в отличие от известного, предусматривает работу без настройки. Базовый вариант образовательной программы формируется путем оцифровки существующих бизнес-процессов и технологических процессов по их текущему состоянию. Цифровая модель бизнеса позволяет спрогнозировать предстоящие изменения и учесть из в образовательной программе.

Рис. 1 – Модель адаптивной образовательной программы

Составлено авторами

Рассмотрим на примере. Пусть имеем пять факторов, определяющих технологический процесс в будущем – диагностика контактной сети системы тягового электроснабжения железнодорожного транспорта. Первый фактор – эффективность электрической тяги на железнодорожном транспорте как экономичного и экологичного вида тяги. Второй фактор – невозможность резервирования контактной сети электрифицированных железных дорог. Третий фактор – высокая уязвимость контактной сети от механического и температурного воздействия. Четвертый фактор – высокая эффективность технологии Big Data, уже показавшая свою положительную роль в других областях. Пятый фактор – снижение и, как следствие, рост доступности датчиков пространственного состояния, позволяющих осуществить сбор данных о состоянии объекта измерения. Сочетание данных факторов в будущем даст развитие безлюдной технологии автоматической диагностики устройств контактной сети на основе датчиков пространственного состояния. Информация об этой технологии (возможностях, принципах, изменении процессов и пр.) включается в образовательную программу, что обеспечивает заблаговременную подготовку специалистов.

Модель представляет собой динамический объект, в котором взаимосвязь между выходом R(t) (результат – «Results») и входами P(t) (работники – «Personal»), Z(t) (задачи – «Personal») определяется в операторной форме.

. (1)

В качестве критерия эффективности образовательной программы выбрана система условий:

(2)

где R_доп. – обеспечение минимального допустимого результата, R_m(t) – обеспечение максимального результата работы модели бизнеса и С(t) – обеспечение минимума затрат на реализацию образовательной программы.

Сформулированный выше критерий оптимальности финансовых затрат на реализацию образовательной программы является задачей дискретной оптимизации и может иметь множество решений в виде нахождения локальных экстремумов методами линейного программирования.

2 Эмерджентные технологии и возможности их применения при управлении процессом реализации образовательных программ

Процесс реализации профессиональных образовательных программ в современных условиях представляет собой управление ресурсами (финансовыми, трудовыми, материально-техническими и пр.) в условиях их ограничения. На качество и эффективность управления ресурсами и достижения целей влияют: неопределенность (трудно предсказать изменения в отрасли), событийность (велика вероятность наступления событий, меняющих план), многофакторность (много критериев, предпочтений и ограничений), высокая связность (принятие одного решения вызывает изменение других), кастомизация (обучающиеся и слушатели курсов требуют индивидуального подхода), трудоемкость (сложно просчитать последствия и сделать прогноз).

Интеллектуальная система управления ресурсами (ИСУР) создается как автономная система, способная реагировать на события, планировать действия и контролировать их исполнение (подобно любому живому организму). ИСУР строится как самоорганизующаяся система (роевой интеллект) на основе баз знаний и мультиагентных технологий, показывающая преимущества адаптивного планирования (рис. 2). В результате оперативно, гибко и эффективно строится и перестраивается план-график проектов и подразделений. Работа по событиям позволяет сделать прозрачной процесс реализации множества образовательных программ в реальном времени.

Рис. 2 – Логическая архитектура интеллектуальной системы управления

ресурсами на цифровой платформе

Составлено авторами

Подход к созданию адаптивной образовательной программы на основе ИСУР включает следующие элементы.

База знаний:

– позволяет сохранять («оцифровывать») знания о предметной области (стандарты, бизнес-процессы, компетенции, лучшие практики и т. д.) и использовать их в процессе обучения;

– позволяет описывать правила выявления накладок и противоречий и вариантов их автоматического разрешения менеджерами образовательного процесса.

Мультиагентный подход:

Для каждого предмета, дескриптора, дидактической единицы, компетенции в системе работает программа – агент, которая обслуживает интересы, описанные в базе знаний (исполнение плана в срок, равномерная загрузка подразделения, выполнение бюджета). Агенты в виртуальном мире с помощью переговоров с себе подобными выполняют работу, привычную руководителям: ищут ресурсы, договариваются о подвижках сроков, отслеживают факты, контролируют бюджет и формируют варианты решения для своевременного принятия решений людьми в реальном мире.

Распределенное сетецентрическое планирование (рис. 3) по циклу Деминга:

Система строит не один монолитный план на все предприятие, а множество распределённых планов (план проекта, план отдела, план сотрудника, и т.д.), каждый из которых формируется автономно, но согласованно с другими;

Каждый план обслуживается своей мультиагентной системой (МАС) – планировщиком. Планировщики взаимодействуют между собой для разрешения конфликтов и поиска консенсуса.

Рис. 3 – Цикл Деминга для управления процессом

Составлено авторами

На рис. 4 показана разница между различными вариантами корректировки образовательной программы. Сценарий реализации образовательной программы, принятой, утвержденной, включающей саму образовательную программу, кадровое обеспечение, материально-техническое обеспечение и пр., в процессе реализации отклоняется от запланированного варианта, принятого за 100 %. Причины различны и могут включать факторы образовательной организации (поменялись ресурсы), факторы внешней среды (изменился технологический процесс) и самого обучающегося (пропустил занятия).

В результате неприменения никаких корректировок (красная кривая) происходит существенное отклонение от запланированного варианта. Это наименьшая эффективность образовательной программы.

Ручная корректировка (желтая кривая) происходит периодическая корректировка образовательной программы. Эффективность реализации такого варианта выше, чем без какой-либо корректировки, но не достаточна. Причиной низкой эффективности является человеческий фактор.

Автоматическая корректировка (зеленая кривая) предполагает автоматическую корректировку образовательной программы на основе ИСУР. При достижении отклонения определённого порогового значения происходит автоматическая корректировка образовательной программы.

Рис. 4 – Корректировка образовательной программы

Составлено авторами

Адаптивные образовательные программы могут быть использованы для обучения инвалидов и лиц с ограниченными возможностями здоровья (оптированные образовательные программы). В этом случае граничные возможности лиц определяют границу корректировки образовательной программы. Формируется адаптированный индивидуальный учебный план с учетом особенностей психофизического развития обучающегося, индивидуальных возможностей обеспечивающий освоение образовательной программы на основе индивидуализации ее содержания с учетом особенностей и образовательных потребностей конкретного обучающегося.

3 Пример реализации

В качестве примера реализации адаптивных образовательных программ ниже представлен опыт команды Самарского государственного университета путей сообщения – отраслевого транспортного университета, реализующего образовательные программы в сфере железнодорожного транспорта. Транспортная отрасль динамично развивается и требует опережающей подготовки кадров. Сегодня такая подготовка осуществляется на основе включения в образовательные программы цифровых компетенций.

Распоряжением Правительства РФ утверждена стратегия цифровой трансформации транспортной отрасли России до 2030 г. В ней обозначены проблемы отрасли, решаемые цифровизацией. К ним, среди прочих отнесены, излишняя бюрократия процесса оформления перевозок, отсутствие единого центра управления транспортным комплексом, отсутствие мониторинга состояния инфраструктуры на всех этапах жизненного цикла и другие проблемы. Для их решения необходимым условием является подготовка квалифицированных специалистов, обладающих компетенциями использования сквозных цифровых технологий. В университете совместно с АНО «Иннополис» в 2022 году проведена работа по актуализации образовательных программ высшего образования в части внедрения дисциплин, практик и модулей, направленных на изучение сквозных цифровых технологий и их применение в профессиональной деятельности (рис. 5).

Рис. 5 – Этапы процесса реализации

массовых открытых онлайн-курсов в СамГУПС

ОПОП ВО – основная профессиональная образовательная программа высшего образования,

МООК – массовые открытые онлайн-курсы

Составлено авторами

В основу актуализации образовательных программ был положен анализ потребностей работодателей. По его результатам с учетом требований профессиональных стандартов были спроектированы унифицированная компетентностная модель и компетентностные модели выпускников по трем специальностям. После их согласования отраслевой рабочей группой были разработаны базовые учебные планов и рабочие программы дисциплин, практик, государственной итоговой аттестации, а также учебных материалов по актуализированным компонентам образовательных программ. Результаты работы были представлены на рецензирование в федеральное учебно-методическое объединение по транспорту, а также – представителям ОАО «РЖД» как основного работодателя и его дочерних и зависимых обществ. Кроме этого, отдельно стоит отметить серьёзную работу по созданию четырех массовых открытых онлайн-курсов (МООК) (рис. 6).

В процессе работы была усовершенствована структура учебных планов. В их состав были включены комплексные профессиональные образовательные модули, а также единые модули, направленные на формирование универсальных и общепрофессиональных компетенций. Была проведена работа в части формулирования цифровых индикаторов достижения компетенций. Отличительной чертой новых учебных планов также является внедрение образовательных модулей, которые обеспечивают формирование компетенций применения сквозных цифровых технологий в приоритетной отрасли экономики.

Рис. 6 – Этапы реализации проекта

ОПОП – основная профессиональная образовательная программа высшего образования,

ФУМО – Федеральное учебно-методическое объединение,

МООК – массовые открытые онлайн-курсы,

СЦТ – сквозные цифровые технологии

Составлено авторами

Так, например, актуализированная образовательная программа «Локомотивы» теперь содержит 4 цифровых модуля, 12 дисциплин и 1 практику с цифровыми компонентами, а также программу ГИА с цифровой составляющей. Предприятия локомотивного комплекса являются современными, быстроразвивающимися, высокотехнологичными производствами, которые активно используют в своей деятельности сквозные цифровые технологии. Ключевой сквозной цифровой технологией для этой программы, на которой базируется большинство актуализированных дисциплин, является «Новые производственные технологии».

Главной целью актуализации образовательной программы «Магистральный транспорт» являлось переосмысление традиционных подходов к обучению и устоявшегося за долгие годы списка дисциплин в учебном плане. Актуализированная программа позволяет сочетать фундаментальные знания с практическими навыками по специальности с учетом применения сквозных цифровых технологий.

В Программу «Электроснабжение железных дорог» вошли 12 дисциплин с цифровыми компонентами, из которых 3 вновь введенные и 9 с актуализированным содержанием. Разработаны 3 модуля, направленные на изучение сквозных цифровых технологий, 2 из них включены в общепрофессиональную часть подготовки специалистов.

В рамках проекта были разработаны массовые открытые онлайн-курсы. Первый из них является универсальным для всех специальностей и направлений подготовки, поскольку ориентирован на метакомпетенции «Самоорганизация и саморазвитие» и «Командная работа и лидерство». Основной акцент в онлайн-курсе сделан на современные инструменты, позволяющие организовать эффективную командную работу в цифровой среде.

Второй курс посвящен освоению профессиональных компетенций будущих специалистов в области управления движением поездов. В рамках данного курса рассматриваются цифровые технологии организации работы железнодорожных станций.

МООК по образовательной программе «Локомотивы» рассматривает передовые технологии и инструменты, используемые в производстве и ремонте подвижного состава. Значимая часть курса посвящена формированию у студентов практических навыков проектирования деталей и проведения виртуальных экспериментов.

Перспективные технологии в сфере электроэнергетики нашли свое отражение в онлайн-курсе «Электроснабжение железнодорожного транспорта». В этом курсе у обучающихся есть возможность познакомиться с актуальными технологиями управления рисками и осуществить анализ безопасности ключевых процессов системы электроэнергетики железнодорожного транспорта. Общепрофессиональный модуль «Введение в информационные технологии» – вводный. В нем студенты получают общее представление о сквозных цифровых технологиях, в частности, о технологии искусственного интеллекта. Кроме этого, они здесь знакомятся с принципами их работы, программным обеспечением и цифровым оборудованием. Другой общепрофессиональный модуль «Системы искусственного интеллекта» –следующий шаг изучения технологий искусственного интеллекта. В нем студенты отрабатывают практические навыки разработки и применения этих технологий. Получают навыки создания систем обработки информации для внедрения их в дальнейшем в профессиональную деятельность.

Модуль «Цифровые технологии при эксплуатации и обслуживании локомотивов» базируется на освоении двух сквозных цифровых компетенций. В рамках освоения данного модуля студенты формируют навыки работы с рабочими местами автоматизированной системы управления локомотивным хозяйством, а также навыки применения современных технологий анализа диагностической информации, в том числе на основе больших данных, поступающих с бортовых и автоматизированных средств диагностики локомотивов.

В рамках модуля «Цифровое проектирование и моделирование при производстве локомотивов» обучающиеся знакомятся с новой производственной технологией «Цифровое проектирование и моделирование». В настоящее время практически полностью в цифровую среду перешли задачи по проектированию и конструированию локомотивов. Данный подход намного продуктивнее, эффективнее и быстрее, обеспечивает меньшие издержки и повышает качества итоговой продукции.

Модуль «Цифровые технологии в разработке проектной и технической документации» базируется на освоении сквозной цифровой технологии «Новые производственные технологии». В его рамках студенты формируют навыки проектирования железнодорожных линий, станций и узлов, разработки и корректировки нормативной, технической и технологической документации. Профессиональный модуль «Цифровые технологии в системах тягового электроснабжения» направлен на изучение цифровых систем и технологий, которые используются или еще только внедряются в системах электроснабжения. Базовая направленность здесь – это автоматизация управления, диагностика и обеспечение безопасности.

При актуализации образовательных программ отдельное внимание было уделено валидному выбору программного обеспечения. От этого выбора в долгосрочной перспективе зависит очень много. В этой связи мы отдавали предпочтение отечественным программным продуктам.

Интерес вызывает перечень программных средств, предлагаемых к изучению в актуализированных образовательных программах. Базовым тут являются программные решения компаний Яндекс, 1С и ОАО «РЖД». Использована подписка Яндекс 360, включающую в себя почтовый сервис, облачное хранилище для документов, офисный пакет с возможностью совместной работы над документами, систему видеоконференцсвязи и много другое. В качестве офисного пакета Яндекс 360 использует облачное решение компании Р7. Отдельно отметим прикладное программное обеспечение Российских разработчиков и специализированный софт, передаваемый компанией ОАО «РЖД» транспортным вузам.

На заключительном этапе нашего проекта была проведена апробация актуализированных образовательных программ. Апробации подверглись дисциплины разработанных общепрофессиональных и профессиональных модулей. В качестве участников апробации выступили студенты нашего университета 2 – 5 курса очной формы обучения, а также студенты Иркутского государственного университета путей сообщения, в котором реализуются все тиражируемые образовательные программы. Апробация проходила в форме дополнительного профессионального образования. Студентам, в том числе студентам ИрГУПС, был предоставлен доступ к методическим и учебным материалам в ЭИОС нашего университета, проведены лекционные и практические занятия, а также организована самостоятельная работа. В результате прохождения итогового тестирования они продемонстрировали хороший уровень освоения нового материала, а также прошли организованное Иннополисом анонимное анкетирование.

Заключение

Основным результатом представленного исследования является совершенствование процесса реализации образовательных программ на основе адаптивной модели с обратной связью и внедрение новых технологий в систему управления образовательными программами. Перспективы использования новых технологий включают эффекты: экономия ресурсов на реализацию образовательных программ, повышение качества образовательных программ, возникновение новых продуктов и решений, а также социальный эффект.

В рамках проведенного исследования предложена научная гипотеза о возможности совершенствования процесса реализации образовательных программ на основе адаптивной цифровой модели экономических субъектов.

Теоретическая значимость исследования обоснована тем, что раскрыты возможности управления образовательными программами на основе цифровой модели субъекта экономической деятельности, для которого осуществляется подготовка специалистов, что позволило апробировать предложенные решения на базе отраслевых транспортных образовательных программ.

Практическая значимость исследования заключается в повышении качества подготовки специалистов. Получение такого эффекта достигается за счет внедрения в процесс реализации образовательных программ новых технологий, обеспечивающих максимально эффективное использование ресурсов образовательной организации.

Результаты исследования могут представлять интерес: для команд управления образовательных организаций, осуществляющих массовую подготовку обучающихся, в части развития цифровых платформ; для инженерно-технических работников и организаций, осуществляющих разработку цифровых решений в сфере образования, в части разработки новых продуктов и совершенствования существующих.