Проблемы инженерного образования

(перевод на русский язык автора)

Некоторое время назад я получил электронное письмо от моего бывшего студента, Джо Уоткинса (имя изменено), который спустя 18 лет после окончания университета стал одним из столпов местного подразделения BAE Systems. Он сообщил, что его сын интересуется инженерным делом, и спросил, есть ли у меня опыт обучения двух поколений одной семьи. Я легко вспомнил Джо: он приходил ко мне домой, и мы оба — молодой и не такой уж молодой перфекционисты — работали над полировкой его магистерской диссертации. У него только что родился первенец, и он делил бессонные ночи родительства со своей женой. Меня тронул вопрос Джо. Я ответил, что с гордостью и удовольствием займусь отцом, сыном и Святым Духом (надеюсь, с последним — не слишком скоро). Я с нетерпением жду возможности познакомить младшего Уоткинса с чудесным миром инженерии. На самом деле, я хотел бы сделать такое знакомство для большинства выпускников американских школ. И здесь возникает проблема, которую я хочу обозначить и обсудить возможные решения.

Мы осознаём постоянно растущую роль инженерии в обеспечении способов и средств создания комфортной среды обитания для современного человечества. В отличие от «естественных наук», которые открывают законы природы, инженерия имеет дело с миром, созданным человеком, используя математику для количественного описания свойств материи и «изгибая» эти свойства на благо человечества. Как вид, человечество всё дальше выходит из природного мира лесов, пещер и костров и всё глубже погружается в искусственный мир небоскрёбов, автомобилей, компьютеров и кондиционированных помещений. Следовательно, роль инженеров становится всё более значимой, а инженерное образование — всё более надёжным способом получить гарантированную работу и средства для обеспечения семьи — несмотря на неизбежные взлёты и падения глобализированной экономики.

К сожалению, в нашем обществе роль инженеров воспринимается как нечто само собой разумеющееся, и в борьбе за сердца и умы самых талантливых молодых американцев инженерная профессия не предлагает ни особого блеска, ни высокого дохода. Инженерия не является популярным выбором среди выпускников американских школ, и «младший Уоткинс» — отрадное исключение. В Америке инженерия всё больше становится «профессией иммигрантов», которые не обязательно будут продолжать — и формально не обязаны продолжать — традиции американских инженеров, заложенные Эдисоном и братьями Райт. Подрывающий эффект этой тенденции для нашего общества нельзя недооценивать.

Рассмотрим некоторые факторы, ответственные за эту ситуацию. Помимо вопросов дохода и престижа, инженерные программы печально известны тем, что отпугивают потенциальных студентов строгостью математической подготовки. Многие школьные учителя математики, которые сами выбрали преподавание из-за той же «страшилки математики», передают эту фобию своим ученикам. «Страх математики» не исчезает и в университете. Высшая математика, как необходимая часть инженерной программы, часто преподносится не как универсальный инструмент, позволяющий понимать законы природы и получать доступ к инженерным методологиям, а как набор формул, выводов и теорем, которые трудно запомнить. Вместо отвёртки, части профессионального инструментария, прагматичным американским студентам-инженерам часто предлагают некий «мыльный пузырь», который они должны донести невредимым до дня финального экзамена. И только те, кому удаётся не дать этому пузырю лопнуть до выхода на такие предметы как теоретические основы электротехники, обработка сигналов и теория управления, с удивлением обнаруживают, что это вовсе не пузырь, а очень полезный инструмент.

Можно ли справиться со «страшилкой математики»? Я не могу предложить конструктивных решений на уровне государственных средних школ, которые бы уцелели под дорожным катком мощного профсоюза учителей. Увы. Но то, что мы можем и обязаны сделать на уровне университета, вполне осуществимо. Математику для студентов-инженеров должны преподавать не математики, а инженеры. Только инженеры могут удовлетворить прагматизм американского студента, начиная с теоремы, а с проблемы, которую нужно решить, и затем предлагая необходимые математические и компьютерные инструменты. Пора признать, что по многим причинам, включая юридическую ответственность, промышленность не полагается и не будет полагаться на математические выкладки, сделанные инженером - для этого существуют консультанты-математики. От инженера-практика ожидается использование компьютерных инструментов, реализующих самые передовые математические методы и обеспечивающих тщательную документацию исходных и конечных результатов для возможных юридических последствий. Я не намерен обижать ярких, остроумных, теоретически мыслящих и высокоинтеллектуальных представителей математического «клана». Да, вы по-прежнему незаменимы в любой научной среде и в докторантуре, но ваше участие в бакалаврском инженерном образовании должно ограничиваться разработкой самых передовых программных инструментов с символическими вычислениями и феноменальными графическими интерфейсами для молодых прагматичных пользователей. Дайте нашим студентам шанс повзрослеть. Некоторые всё равно придут к вам за мудростью и силой настоящей математики.

Как выпускник американской школы решает подать документы на инженерную программу? По нашему опыту, это происходит главным образом благодаря личному влиянию инженера — родственника, наставника, друга — но редко учителя. Слишком часто американские школы не способны познакомить своих учеников с современными инженерными концепциями. Популярные телешоу прославляют врачей, юристов, полицейских и пожарных; гораздо реже — учёных; но практически никогда — инженеров. Выпускник школы, особенно из сельской местности и/или из числа меньшинств, имеет очень мало шансов получить мотивацию стать инженером. Есть ли выход из этой нездоровой тенденции, кроме как финансировать Голливуд для создания мыльной оперы об инженерах и/или удвоить зарплаты инженеров (что, если подумать, не такая уж плохая идея)?

Как консультант, я не привык сталкиваться с реальной задачей и не предлагать решения. Существование Интернета предлагает интересное решение. Интернет успешно конкурирует с телевидением за время нашей молодёжи. Он открывает множество новых способов формировать новое поколение американцев. Я считаю, что пришло время исследовать возможности Интернета для создания нового подхода, позволяющего учителям и ученикам школ получить ценное представление о мире инженерии. Самая умная и прагматичная часть школьников может быть привлечена к инженерии через популярное изложение современных инженерных концепций и технологий. Эффект был бы усилен свободным доступом к современному высокотехнологичному оборудованию, которое можно не только увидеть издалека, но и управлять им на расстоянии. К сожалению, современные технические системы слишком дороги и могут быть легко повреждены будущими Эдисонами и Фордами. Установка и обслуживание такого оборудования часто выходит за рамки возможностей школ и даже университетов.

Именно здесь доступные через интенет инженерные лаборатории могут быть чрезвычайно эффективны. Реализация этой концепции, разработанной мной в Университете Бингемтона, была профинансирована NSF на этапе доказательства концепции, а затем — по программе Major Research Instrumentation (MRI). Она включает разработку нескольких удалённо управляемых лабораторных установок, демонстрирующих одну из передовых технологий. Выбор этой технологии был вполне осознанным: она позволяет демонстрировать различные концепции связи, лазеров, спутников, робототехники и систем. Во время экспериментальной реализации прототипа системы около 1000 пользователей по всему миру получили доступ к этому, иначе недоступному, оборудованию через Интернет, проводили специально разработанные эксперименты и сгружали экспериментальные данные для дальнейшего анализа.

Да, мы были бы рады продолжать получать финансирование для дальнейшего развития интернет-доступных лабораторий, но пишу я не ради этого. Ради сохранения исчезающего вида — коренных американских инженеров — мы предлагаем масштабное усилие, совместно финансируемое государством и промышленностью, направленное на разработку интернет-технологий, демонстрирующих передовые инженерные концепции и тем самым стимулирующих ранний интерес к инженерным профессиям среди американской молодёжи. Социальный и общественный эффект этого усилия может быть весьма значительным. Предлагаемые в школах по всей стране, такие технологии охватят все социальные группы населения — учителей, учеников и родителей — стимулируя интерес к науке и инженерии. В конечном итоге это поможет увеличить вовлечённость талантливой американской молодёжи в университетские инженерные программы.

Эта статья была опубликована в IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, март 2008, том 21, №3, стр. CF2.

P.S.
Я и в последствии мой бывший ученик, ныне профессор, получили от NSF (National Science Foundation) и Отдела Науки ВМФ около $2.M на дальнейшее развитие этой технологии. Мы создали "полигон" для испытания вредоносных программ и компьютерных аттак на промышленные объекты и методов борьбы с ними.