2018.03.27. Проблемы инженерной работы в современной России

Никто не будет возражать, что сейчас перед страной стоит задача повышения эффективности производственных процессов практически во всех отраслях промышленности. Об эту задачу насмерть бьются университеты, в попытке дать промышленности востребованный кадровый материал. Об эту же задачу правительство бьет административную прослойку промышленных предприятий, заставляя ее внедрять новые технологии и выделять деньги на НИОКР. Не вдаваясь в политику, основное препятствие на этом пути можно кратко обозначить следующим образом: преподаваемый в ВУЗах материал не позволяет эффективно проектировать/создавать продукцию в современных условиях производства. В настоящее время чувствуется острое несоответствие теоретического материала, преподаваемого в ВУЗах, требуемому набору знаний молодого инженера. Другими словами трудность модернизации промышленности России определяется:

1. недостатками преподаваемой студентам ВУЗов теории;

2. несовершенством процесса обучения в университетах;

3. устарелостью методик проектных работ на промышленных предприятиях.

Я горжусь тем, что знаю только свою профессию, поэтому далее я попробую описать недостатки в области электромашиностроения. Уверен, что на этом, относительно узком примере, можно будет разглядеть глобальные проблемы нашей промышленности.

1. Недостатки преподаваемой студентам теории

Человек всегда пытался упростить то, о чем говорит. В технических науках это привело к формированию структурного анализа описываемых процессов или машин. При этом исследуемое нечто накрывалось "черным ящиком" (если хотите – "медным тазом"), из под которого был виден только ограниченный набор информации. Искусство максимально ограничить объем информации доставаемой из "черного ящика" (зачастую совсем исключив понимание того, что там внутри происходит!) и при этом обеспечить 20-ть процентов «инженерной точности» расчетов – лежало в основе инженерной работы в прошлом веке. Такая методика работы сформировала сетевые методы расчета. В ходе которых проектируемое устройство представлялось в виде взаимосвязанной сети структурных элементов. Пример: расчет электрической цепи с помощью законов Ома, Кирхгофа.

Если копнуть еще глубже, можно увидеть, что, основным методологическим приемом инженерной работы в прошлом веке являлось представление проектируемого устройства в виде системы с сосредоточенными параметрами. Свойства ее структурных элементов не ставятся в зависимость от их геометрических размеров или расположения в пространстве. Например, даже при проектировании электрического двигателя, когда его геометрические размеры являются основными результатами расчетов, во всех классических учебниках предлагается магнитопровод рассматривать как сеть, состоящую из отдельных элементов (ярма, воздушного промежутка, полюсов и т.д.). Конечно, данный метод расчетов, в свое время, позволил создавать достаточно эффективные электрические двигатели для полетов человека в космос и решения других важных задач нашей страны. Но на текущий момент, именно особенности данного метода анализа технических систем тормозят развитие нашей промышленности. Молодому инженеру, в совершенстве освоившему сетевые методы расчета/анализа технических систем, все представляется в виде набора взаимосвязанных отдельных частей. Точно также стрекоза воспринимает мир своими фасеточными глазами.

Какая есть альтернатива? Дело в том, что математики, понуждаемые требованиями народного хозяйства прошлого века, конечно же, дали инженерам достаточно эффективный математический аппарат. Этим аппаратом является теория дифференциальных уравнений в полных производных. Именно она на сегодня составляет основу математического обучения в вузах нашей страны. Но единственным оправданием широкого использования этого аппарата в прошлом веке являлось несовершенство логарифмической линейки, а затем и первых поколений вычислительных машин (счетов, калькуляторов, ЭВМ). Ведь, те же математики, не ограниченные в своей абстрактности рамками народного хозяйствования, давно уже предложили более совершенные методы анализа технических систем. Которые, правда, для своей реализации требуют гораздо большего количества рутинных математических операций ("+", "-", "*", "/"). Поэтому именно сейчас, совершенство вычислительных средств должно стать основой перехода в теоретическом обучении от сетевых методов расчетов к полевым методам расчета. Эти методы известны очень давно, они не являются каким либо сюрпризом, и постоянно применялись на самом передовом крае науки и техники. Если кратко, то отличие полевых методов расчетов от сетевых заключается в том, что при в полевом методе применяется математический аппарат решения уравнений в частных производных, когда к переменной времени "t", еще добавляются частные производные по трем геометрическим координатам: высоте "x", ширине "y" и глубине "z". При этом результатом расчета магнитопровода электродвигателя будет распределение магнитных, тепловых и других видов физических полей в каждой точке пространства, занимаемого электродвигателем. От этого, повышается точность расчетов, появляются новые возможности оптимизации конструкции электродвигателя. Повышается эффективность инженерной работы, а молодой инженер на выходе из ВУЗа может рассматривать окружающий мир с такой точностью детализации, насколько ему это позволяет мощность используемого компьютера.

Наиболее передовые на сегодняшний день программные системы проектирования технических устройств, построены на методах решения уравнений в частных производных. Они рассчитывают физические поля в предложенной инженером конструкции электрического двигателя или чего-то иного. А ведь математическому аппарату решения уравнений в частных производных отводится в объеме ВУЗ-овского обучения самое последнее место, или оно совсем игнорируется. Подобная практика уже привела к тому, что современные аспиранты вынуждены самостоятельно овладевать присутствующими на рынке программного обеспечения методами компьютерного моделирования. При этом даже появился термин: "математический эксперимент", против которого усиленно ворчат представители старшего поколения профессоров. Конечно, любой расчет должен апробироваться результатами физического эксперимента, но это не значит, что необходимо препятствовать развитию методов теоретических расчетов.

Перевод акцента с сетевых на полевые методы расчета в инженерном образовании потребует изменения в содержании преподавания таких дисциплин как: математика, математическая физика, математическое моделирование. В том числе необходимо обучение вариационному исчислению. Так как именно оно лежит в основе не только методов решения задач в частных производных, но и позволяет математическими формулами описать закон сохранения энергии и принципы построения уравнений описывающих преобразование энергии в различных и разнородных технических системах. Взрывное увеличение объемов вычислительных операций, производимых нашими вычислительными машинами, должно сопровождаться качественным изменением теории, которой обучаются студенты наших ВУЗов.

Вызывает удивление, что обсуждаемые вопросы не были ранее спрогнозированы со стороны РАН и руководства ведущих научных школ и не были предложены к обсуждению преподавательской общественностью. Именно поэтому сейчас данный «снежный ком» проблем является «камнем преткновения» на пути совершенствования инженерного искусства уже в государственных масштабах.

2. Несовершенство процесса обучения в университетах

Ну а если, преподаваемый материал не соответствует современным нуждам промышленности, можно предать критике и сам процесс обучения ему в ВУЗах. Сетевые методы расчета более абстрактно представляют исследуемую техническую систему. Студентам сложно наложить на реальность результаты расчетов. Именно поэтому в настоящее время принята следующая последовательность обучения: «механика»-«теплотехника»-«электротехника». Механика наиболее осязаемо представляется человеком. На ее примерах удобно развить у студента аналитическое восприятие действительности и подготовить его к восприятию относительно более непонятных процессов теплопереноса, а затем и электрических явлений. И основная трудность при этом именно в восприятии рассматриваемых физических явлений. Если механическое движение или напряжения в материале еще можно наглядно представить (в конце концов, их результаты мы можем увидеть глазами), то переходной процесс индицирования ЭДС при изменении магнитного поля в подвижных элементах электродвигателя – вызывает у студентов затруднения в представлении. И результаты сетевых методов расчета при этом мало помогают. В то время как, расчет полевыми методами распределения рассматриваемых, невидимых глазу человека, магнитных полей, их визуализация – в наилучшей мере позволяет студенту получить представление о происходящих процессах.

Поэтому внедрение в процесс обучения современных программных продуктов, посвященных расчету различного рода физических полей – должно стать основой воспитания аналитического восприятия окружающей действительности у студентов. Чему, к сожалению, в настоящее время не уделяется достаточно внимания.

3. Устарелость методик проектных работ на промышленных предприятиях

Ну и совсем кратко следует определить те результаты, к которым приводит сегодня недостатки системы образования. В настоящее время, молодые инженеры вынуждены с одной стороны цепляться за уходящее старшее поколение инженеров старой школы, а с другой стороны – самостоятельно осваивать новые технологии проектирования. В таком раскоряченном положении, им на спину вешается груз относительно малой заработной платы вследствие незаинтересованности предприятий вкладывать деньги в рискованное обучение специалиста (ведь он может свалить на более выгодное место). Это все увеличивает сроки взросления инженера, и увеличивает риски изменения человеком своих приоритетов на более выгодные финансово и быстрее реализуемые – например, в сфере «купи-продай» или «бла-бла-бла» технологий.

В последнее время уже даже со стороны правительства России и руководства крупных технологических корпораций озвучивается необходимость внедрения технологий математического моделирования в проектные работы. Это станет действительно массовым явлением, если начнется меняться и система образования современных инженеров. По моим оценкам, это возможно в течение ближайших 4…6 лет, не ранее. Пожелаем нам удачи на этом, единственно возможном пути совершенствования нашего инженерного искусства.

Дополнительная информация

Рейтинг@Mail.ru