Применение PLM-технологий в интегрированном инженерном образовании

К современному инженерному образованию предъявляются высокие требования в области трансфера знаний и технологий между университетом и промышленными предприятиями для обеспечения высокой квалификации молодых специалистов. В работе рассмотрены способы применения и функционирования новых производственных технологий как элемента научно-образовательной инфраструктуры университета и проблема их адаптации в научно-образовательном процессе при осуществлении профессиональной подготовки студентов инженерных направлений в рамках проектной деятельности студентов как одного из видов практико-ориентированного подхода в обучении. Формирование прикладных профессиональных компетенций заключается в ориентировании обучающихся на отраслевые технологии, соответствующие направлению подготовки инженеров и разработкой методического, информационного и технологического обеспечения учебных курсов. В настоящее время передовые производственные технологии неразрывно связаны с направлением «технет» и комплексными цифровыми производственными решениями на основе концепции цифровых двойников. В условиях цифровой трансформации высшего образования данные решения возможно внедрять в учебный процесс при осуществлении студентами проектной деятельности для работы в единой цифровой виртуальной производственной модели на основе PLM-технологий (Product Lifecycle Management). Комплексный цифровой подход к проектному обучению позволяет сформировать базис для междисциплинарной командной проектной деятельности студентов инженерных направлений, повысить эффективность интегрированных форм инженерной подготовки на основе сотрудничества с промышленными предприятиями и другими отраслевыми вузами, в том числе на международном уровне.

Введение

Для обеспечения высокого уровня подготовки инженерных кадров необходим трансфер технологий и знаний между вузом и производственными предприятиями на основе усиления интеграции инженерного образования, науки и производства при реализации совместных образовательных программ и развитии новых форм организации образовательного процесса в условиях цифровой трансформации высшего образования [5]. При этом определяющим вектором новых образовательных стандартов, учебных планов в современных инженерных вузах и технических университетах является компетентностный подход, позволяющий осваивать и наращивать прикладные компетенции студентов на основе сотрудничества вузов с промышленными предприятиями-партнерами и другими заинтересованными сторонами, которые являются заказчиками и потребителями таких компетенций [10].

В ходе развития интеграционных процессов необходимо:

• решать задачи выбора или разработки цифровых образовательных технологий, позволяющих формировать профессиональные компетенции студентов, имеющие выраженный прикладной характер;
• создавать единую образовательную цифровую среду для реализации совместных научно-образовательных проектов, в том числе с международным участием;
• вырабатывать единый подход к подготовке кадров совместно с предприятиями и организациями-партнерами;
• развивать новые форматы совершенствования образовательного процесса с учетом организационно-экономических аспектов и рационального использования материально-технической базы вуза;
• содействовать получению студентами междисциплинарных компетенций в ходе реализации образовательных программ и повышать востребованность выпускников при трудоустройстве;
• повышать квалификацию преподавателей и сотрудников предприятий-партнеров при выборе и применении технологий, которые востребованы современным производством, но еще не внедрены и являются объектом совместных исследований.

Рассмотрение и решение поставленных задач происходит через исследование и анализ многолетней практики подготовки и переподготовки инженерно-технических специалистов различного профиля с компетенциями в сфере информатизации промышленного производства. В ходе исследования использовались методы анализа нормативной документации и системный подход, который оценивает образовательную деятельность с точки зрения соответствия передовым производственным технологиям направления «Технет». Методологической базой исследования выступают положения концепции цифровых двойников как результата применения совокупности технологий сквозной цифровизации производства.

Методы

В настоящее время реализация компетентностного подхода в интегрированном инженерном образовании возможна в различных организационно-экономических и правовых формах [3; 6]. В ряде российских университетов во многих аспектах прослеживается сходство организации интегрированной инженерной подготовки с зарубежными моделями практико-ориентированного образования [11]. В технических вузах при поддержке стейкхолдеров создаются базовые кафедры, научно-образовательные технологические центры, консалтинговые центры и образовательно-технологические кластеры, деятельность которых построена на принципах проектно-ориентированного сотрудничества. При реализации научно-образовательных проектов практико-ориентированное обучение инженеров позволяет повысить адаптивность образовательных программ к изменяющимся потребностям предприятий-партнеров посредством создания гибких учебных планов, формирования индивидуальных образовательных траекторий студентов, интегрирования в научно-производственную практику на предприятиях, создания современных программ дополнительного профессионального образования, сетевых образовательных программ и организации проектной деятельности обучающихся [12].

Проектная деятельность студентов дополняет традиционные подходы к инженерному образованию возможностями не только воспроизводить знания, но и применять их в процессе решения широкого спектра профессиональных задач, в том числе из смежных областей с учетом социального, экономического и культурного контекста. Существуют различные форматы реализации проектного обучения в ведущих вузах России и зарубежья, в том числе посредством международного сотрудничества [2; 9].

Интегрированное инженерное образование в Северодвинском филиале Северного (Арктического) федерального университета реализуется через систему «завод-втуз», которая объединяет в себе теоретическое обучение с практической подготовкой на базе предприятий Объединенной судостроительной корпорации в соответствии с профилем подготовки, а также на базовых кафедрах и непосредственно в специализированных лабораториях и центрах университета, что обеспечивает требуемый уровень компетенций выпускников. Трудоустройство студентов инженерных направлений по системе «завод-втуз» на отраслевые предприятия происходит на младших курсах, студенты начинают получать заработную плату во время практической подготовки.

Помимо этого, применяются дополнительные организационные формы реализации проектного обучения с привлечением внутренних и внешних экспертов в качестве руководителей проектов и консультантов. Практикуется поддержка университетом отдельных проектных студенческих инициатив или совмещение работ над проектами с университетской образовательной программой в виде выделения части учебной нагрузки в рамках одной дисциплины под проектную деятельность с обязательным выполнением проектов всеми обучающимися. При этом студенты имеют возможность продвигать свои наработки в рамках инженерных конкурсов, научно-практических конференций, сотрудничества с компаниями-заказчиками. Тематика проектов может быть разноплановой. Исследовательские проекты предполагают в качестве результата научно-методические публикации по теме исследования и заявки на гранты для продолжения исследований. Проекты, которые предназначены решить задачи учебного процесса, предполагают разработку лабораторных стендов, учебных макетов, реализацию организационных процессов и систематизацию данных.

Особую значимость представляет проектная деятельность студентов, где в качестве тем проектирования выбираются задачи, решение которых необходимо для производства. Один из принципов проектного подхода состоит в том, что структура учебного процесса и логика познания должна составлять подобие структуры инженерной деятельности, отражающей этапы жизненного цикла создаваемого изделия. Поэтому для таких проектов характерна реализация полного цикла разработки: от формулировки технического задания, до оформления конструкторской документации, разработки технологии, проведения испытаний и получение какого-то продукта или технического решения. Такие проекты выполняются студентами с применением прикладных автоматизированных систем, которые используются на предприятиях. При этом реализация данных проектов требует комплексного цифрового подхода к проектному обучению и организации единого информационного пространства разработок. Выбор цифровых технологий и инструментов, позволяющих вести командную проектную работу и повышающих эффективность проектно-ориентированного обучения должен строиться на тех же принципах, что и в производственной практике. Цифровизация в сфере реального производства связана со сквозными информационными технологиями направления «Технет» и заключается в информационной поддержке изделий на всех этапах их создания [13]. На каждом из этапов  используются различные виды автоматизированных систем, предназначенных для наиболее эффективного выполнения конкретного типа инженерных задач, но работа в едином информационном пространстве предприятия и интеграция инженерных данных, полученных на каждом из этапов, обеспечивается системами комплексных PLM-решений (Product Lifecycle Management) [1; 7; 8]. Результатом применения комплексных решений является создание цифровых двойников технических объектов (продуктов), а также процесса производства на основе сложных мультидисциплинарных цифровых и математических моделей с высоким уровнем соответствия реальным материалам, конструкциям и физико-механическим процессам (включая технологические и производственные процессы), которые позволяют значительно «приблизиться» к реальному объекту [14].

Комплексная цифровизация на больших отраслевых предприятиях — это весьма трудоемкий и протяженный во времени процесс особенно в организационном и техническом аспектах. Развернуть цифровую поддержку всего цикла создания продукта в процессе обучения и опробовать ее на студенческих проектах намного более простая задача, тем более проекты различного инженерного профиля, соответствующие направлениям подготовки университета, как правило, носят междисциплинарный характер и требуют от обучающихся распределенной командной работы с использованием современных цифровых технологий, востребованных на промышленных предприятиях [4].

Практика обучения и анализ дальнейшей профессиональной деятельности более 200 выпускников по программам подготовки и переподготовки инженерных кадров показывает, что инженеры не обладают достаточными системными знаниями и практическим опытом в области сквозной информационной поддержки жизненного цикла изделий, хотя активно используют на рабочих местах отдельные технологии «Технет», в том числе студенты и выпускники с ограниченными возможностями (рис.1).

Обучение инженеров может проходить на цифровых двойниках, которые предоставляют разработчики таких систем или предприятия в качестве примеров, но освоить PLM-технологии на более глубоком уровне студенты могут, только если самостоятельно реализуют весь цикл создания продукта в единой цифровой проектной среде. Предприятия региона выражают заинтересованность в апробации PLM-технологий и выработке совместных организационно-технических решений и рекомендаций по внедрению их в реальных производственных условиях. 

Рис. 1. Анализ профессиональной деятельности студентов и выпускников

Для решения поставленных задач создана структурная модель проектной работы студентов инженерных направлений с применением PLM-решений управления жизненным циклом изделия в единой цифровой среде разработки (рис. 2), которая основана на интеграции нескольких технологий направления «Технет»:

• технологий цифрового проектирования CAD (Computer-Aided Design), инженерного анализа CAE (Computer-Aided Engineering) и технологической подготовки производства CAM (Computer-Aided Manufacturing);
• технологий управления данными о продукте PDM (Product Data Management);
• систем управления предприятием ERP (Enterprise Resource Planning);
• CNC-технологий (Computer Numerical Control, или ЧПУ — технологическое оборудование с числовым программным управлением) и аддитивных технологий трехмерной печати.Рис. 2. Структурная модель проектной работы студентов инженерных направлений с применением PLM-решений

Рис. 2. Структурная модель проектной работы студентов инженерных направлений с применением PLM-решений

Результаты

Подводя итог использования в учебном процессе технологий направления «Технет», следует отметить, что PLM-решения обеспечивают единое информационное пространство для работы с инженерными данными на всех этапах совместной проектной работы обучающихся технического профиля. Такой подход обладает следующими преимуществами:

1. Возможно поэтапное внедрение в учебный процесс PLM-технологий в сотрудничестве с внешними экспертами параллельно тому, как это происходит на промышленных предприятиях, например, начиная с конструкторско-технологической подготовки производства. Осваивать цифровые компетенции в этом случае могут не только студенты, но и представители предприятий в рамках программ дополнительного профессионального образования.
2. Для эффективного использования материально-технической базы проектных лабораторий можно проводить виртуальные, а не натурные испытания посредством модельных исследований созданных цифровых двойников, а не изготавливать опытные образцы.
3. Участники проекта осваивают междисциплинарные вопросы разработки, понимают значимость собственной деятельности в общей структуре инженерных задач и связь со смежными производственными этапами.
4. Кросс-платформенная PLM-технология позволяет использовать программное обеспечение от различных разработчиков.
5. Проектные данные можно хранить в единой цифровой среде и проводить доработку другими командами.
6. Реализация проектов в PLM возможна и в дистанционном формате, так как поддерживаются технологии удаленного доступа. Студенты, как и сотрудники предприятий или проектных организаций, могут совместно и распределенно работать над проектами в цифровом пространстве.

Обсуждение

Внедрение PLM в проектное обучение имеет ряд аспектов, которые нужно учитывать и прорабатывать в ходе совершенствования методов реализации технологии:

1. Несмотря на кросс-платформенность, внедренные PLM-решения характеризуются накоплением больших объемов определенным образом структурированных и упорядоченных проектных данных в различных форматах, которые будет сложно переносить на другую платформу.
2. Стоимость внедрения таких технологий очень высока, хотя большинство разработчиков PLM-решений предлагают университетские версии программных продуктов. Также для предприятий могут существовать ограничения на закупку программного обеспечения от зарубежных разработчиков. 
3. PLM-решения эффективны не для всех видов проектов.

1. Булавин В.Ф., Яхричев В.В., Глазков В.А. PLM-стратегия в мелкосерийном производстве машиностроительной отрасли // Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2018. № 8 (701). С. 37-49.
2. Евстратова Л.А., Исаева Н.В., Лешуков О.В. Проектное обучение: практики внедрения в университетах. М.: Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», 2018. 152 с.
3. Жураковский В.М. Современные тенденции развития инженерного образования на основе интеграции образования, науки и инноваций // Модернизация инженерного образования: российские традиции и современные инновации: сборник материалов международной научно-практической конференции. Якутск: Изд. дом СВФУ, 2017. 312 с.
4. Иванов В.Г., Кайбияйнен А.А., Галиханов М.Ф. Междисциплинарность как вектор развития инженерного образования // Высшее образование в России. 2016. № 8-9. С. 149–160.
5. Инженерное образование на основе интеграции с наукой и промышленностью / Казаков Ю.М. [и др.] // Высшее образование в России. 2020. Т. 29. № 12. С. 105-118. doi: 10.31992/0869-3617-2020-29-12-105-118
6. Интеграция образования, науки и производства: от базиса к реалиям/ Фадеев А.С. [и др.] // Высшее образование в России. 2016. № 4. С. 55–63.
7. Кульга К.С. Автоматизация технической подготовки и управления производством на основе PLM-системы. М.: Машиностроение, 2008. 255 с.
8. Левин Д., Малюх В., Ушаков Д. Энциклопедия PLM. Новосибирск: ЛЕДАС, 2008. 448 с.
9. Международный проект ENTER: новый подход к педагогической подготовке преподавателей инженерных дисциплин/ Шагеева Ф.Т. [и др.] // Высшее образование в России. 2020. Т. 29. № 6. С. 65–74. doi: 10.31992/0869-3617-2020-6-65-74
10. Организация центров компетенций высокотехнологичных производств/ Кремлева Л.В. [и др.]. Архангельск: Институт управления, 2016. 175 с.
11. Стародубцев В.А. Практико-центрированное обучение в высшей школе // Высшее образование в России. 2021. Т. 30. № 5. С. 75-87.
12. Сухристина А.С., Зиятдинова Ю.Н., Кочнев А.М. Сетевое взаимодействие вузов как форма интернационализации: опыт книту // Высшее образование в России. 2016. № 11 (206). С. 103–110.
13. Цифровая экономика — различные пути к эффективному применению технологий (BIM, PLM, CAD, IOT, SMART CITY, BIG DATA и другие) / А.П. Добрынин [и др.] // International Journal of Open Information Technologies. 2016. Т. 4. № 1. С. 4-11.
14. Цифровые двойники в высокотехнологичной промышленности / Боровков А.И. [и др.]. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2019. 62 c.