Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

ИНДУСТРИЯ 4.0 И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Китайгородский М.Д. 1
1 ФГБОУ ВО «Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина»
В статье представлен обзор направлений и технологий четвертой промышленной революции, получившей название Индустрия 4.0. Современные промышленные технологии рассматриваются в контексте влияния их на развитие системы образования в целом, а особенно на технологическое образование в школе и вузе. Основными направлениями Индустрии 4.0 являются передовые технологии, благодаря которым четвертая промышленная революция стала реальностью. К наиболее важным из данных технологий можно отнести: интернет вещей; аддитивное производство; искусственный интеллект, машинное обучение и робототехнику; большие данные, блокчейн и облачные вычисления; виртуальная и дополненная реальность. Рассмотренные технологии определяют ключевые особенности Индустрии 4.0: взаимодействие – способность киберфизических систем (роботов, станков с ЧПУ, диагностического оборудования с интеллектуальными интерфейсами) взаимодействовать между собой на основе интернета вещей; виртуализация – интеграция имитационных и виртуальных информационных моделей с реальными технологическими процессами; децентрализация – способность киберфизических систем автономно принимать решения на основе технологий искусственного интеллекта; работа в режиме реального времени – возможность киберфизических систем анализировать технологические и производственные данные и предоставлять их в общую промышленную сеть, что требует обработки больших данных. Использование технологий Индустрии 4.0 в технологическом образовании является актуальным, и необходимы методики включения этих технологий в образовательный процесс.
четвертая промышленная революция
Индустрия 4.0
цифровое производство
образовательная область технология
технологическое образование
новые профессии
1. Юдина М.А. Индустрия 4.0: перспективы и вызовы для общества // Государственное управление. Электронный вестник. 2017. № 60. С. 197–215.
2. Котряхов Н.В. Педагогический ручной труд в русской общеобразовательной школе конца XIX – начала XX в.: учеб. пособие. Программы ручного труда и рукоделия. Киров: Вятский госпедуниверситет, 1995. 161 с.
3. Хотунцев Ю.Л. Важность технологического образования школьников для развития экономики Российской Федерации // Интеграция образования, науки и производства в интересах высокотехнологического комплекса: материалы Международного форума «Технологии в машиностроении – 2010» (Москва, 30 июня – 4 июля 2010 г.). М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. С. 134–142.
4. Программы средних образовательных учреждений. Трудовое обучение. 1–4 кл. Технология 5–11 кл. / Под ред. В.Д. Симоненко, Ю.Л. Хотунцева. М.: Просвещение, 2007.
5. Plattform Industrie 4.0 [Электронный ресурс]. URL: https://www.plattform-i40.de (дата обращения: 09.09.2018).
6. Eberhard Abele. Industry 4.0: the computerization of manufacturing [Электронный ресурс]. URL: http://www.tekniker.es/en/industry-4-0-the-computerization-of-manufacturing (дата обращения: 09.09.2018).
7. Китайгородский М.Д., Смольянинов И.Н., Петухов В.В. Технология дистанционных интерактивных лабораторных работ // Школа и производство. 2015. № 2. С. 53–58.
8. Михайлова А.Е., Дошина А.Д. 3D принтер – технология будущего // Молодой ученый. 2015. № 20. С. 40–44.
9. Атлас новых профессий [Электронный ресурс]. URL: http://atlas100.ru/upload/pdf_files/atlas.pdf (дата обращения: 09.09.2018).

Развитие новых технологий, распространение их в современное производство, экономику, социальную сферу приводит к стремительным изменениям на глобальных рынках. Сегодня скорость создания и внедрения новейших разработок выше, чем когда-либо в истории, и продолжает расти. Такое развитие технологий приведет в ближайшие годы к формированию совершенно новых рынков, которые будут предоставлять потребителям передовые технологические решения и принципиально новые сервисы. Можно говорить о разворачивающейся в настоящее время глобальной промышленной революции, которая является результатом последних достижений в сфере информационно-коммуникационных и биотехнологий, робототехники и искусственного интеллекта [1].

Каждая промышленная революция кардинально изменяла жизнь людей, общество, экономику и находила свое отражение в образовании.

Цель исследования состоит в анализе влияния индустриальных революций на техническое и технологическое образование и выявлении влияния современных инновационных технологических направлений на содержание современного образования.

Материалы и методы исследования

Для достижения цели исследования мы использовали следующие методы исследования: методы теоретического уровня – обобщение и формализация (для описания этапов индустриальных революций на основе библиографического анализа литературы); методы экспериментально-теоретического уровня – анализ (для сопоставления состояний технологического образования с соответствующими этапами индустриальных революций), моделирование и синтез (для проектирования дисциплин образовательных программ подготовки будущих учителей технологии в соответствии с современными технологическими достижениями).

Результаты исследования и их обсуждение

Первая промышленная революция (вторая половина XVIII в. – начало XIX в.) означала появление и развитие промышленного производства и транспорта. Это произошло благодаря изобретению парового двигателя и созданных на его основе станков, транспортных механизмов.

Вторая промышленная революция (вторая половина XIX в. – начало XX в.) обусловлена электрификацией производства, появлением железнодорожного транспорта, внедрением поточного производства и разделением труда, что стало возможным благодаря исследованиям электрической энергии, развитию нефтяной и химической промышленности, изобретениям бензинового двигателя, телеграфа и телефона.

В это время (1884 г.) в учебные планы народной школы России был введен в качестве самостоятельного предмета ручной труд. В курс ручного труда входили работы, заимствованные из различных ремесел: столярного, токарного, резного, бондарного, колесного, кузнечного, жестяного, проволочного, картонажного и лепного [2]. В старших классах в ручном труде уже были задатки проектной деятельности – изготовление различных устройств и пособий, несложных приборов для изучения законов механики, оптики, электростатики и электродинамики. Изучалась обработка различных материалов – дерева, металлов, картона, глины, стекла [2].

Третья промышленная революция (вторая половина XX в. – начало XXI в.) – тотальная автоматизация и роботизация производств, связанные с развитием радиоэлектроники, цифровой и микропроцессорной техники, информационных технологий.

Эти промышленные изменения нашли отражение и в трудовом обучении. В 1993 г. в общем образовании была введена образовательная область «Технология». В то время трудовое обучение уже вызывало неудовлетворенность в системе образования по многим причинам. Существенными проблемами, которые привели к кризису трудового обучения явились: отсутствие фундаментальности дисциплины, низкая интеллектуальная насыщенность содержания предмета; существенные отличия между системами общеобразовательной и трудовой подготовки; отсутствие связи содержания трудовой подготовки с современными технологиями; направленность трудового обучения на индустриальную среду и невнимание к другим жизненно важным областям деятельности человека (домоводство, народные ремесла и т.д.) [3].

В программы технологического образования были введены разделы, связанные с новыми принципами организации современного производства (конвейеризация, непрерывное поточное производство, многоцелевые технологические машины, глобализация системы мирового хозяйства и др.), автоматизация технологических процессов (автоматизация производства на основе информационных технологий, гибкая и жёсткая автоматизация, применение на производстве автоматизированных систем управления технологическими процессами) [4].

Были внесены коррективы и в подготовку учителей технологии. В рабочих учебных планах появились дисциплины, связанные с автоматикой, использованием информационных технологий в технологическом образовании. Для более усиленной подготовки в этом направлении некоторые вузы вводили специализации.

Четвертая промышленная революция (начало XXI в.) – появление смарт-заводов, предприятий, на которых автоматизированные и роботизированные промышленные системы взаимодействуют между собой и другими предприятиями на основе технологий искусственного интеллекта и технологий интернета вещей. Эти изменения связаны с появлением глобальных промышленных сетей, Интернета вещей, 3D принтеров, нейронных сетей и исследований в области искусственного интеллекта.

Четвертая промышленная революция получила название Индустрия 4.0, термин для которой был введен в 2011 г. на немецкой промышленной ярмарке в Ганновере. В этот период в Германии была утверждена программа стратегического развития промышленности «Платформа Индустрии 4.0» [5] и государственная программа «Промышленность 4.0». Ведущее направление этой программы заключалось в развитии промышленного интернета и технологий, основанных на глобальных коммуникациях. Подобные программы проработаны и в других странах, таких как США, Франция, Великобритания, Италия, Бельгия и др.

Направления Индустрии 4.0 в нашей стране в настоящее время оформились в виде Национальной технологической инициативы (НТИ), которая должна на основе долгосрочного прогнозирования на 10–15 лет проработать передовые решения, обеспечивающие глобальную безопасность, развитие новых технологических отраслей, высокое качество жизни людей. Национальная технологическая инициатива – это система проектов и программ, которые направлены на формирующиеся в настоящее время глобальные мировые рынки как промышленные, так и социальные, и в том числе образовательные.

Выделяют четыре основные особенности Индустрии 4.0 [6]:

1. Взаимодействие – способность киберфизических систем автономно объединяться и взаимодействовать друг с другом посредством интернета вещей и интернета услуг. Киберфизические системы – это индустриальное оборудование, роботы, станки с ЧПУ, диагностические модули, объединенные с информационными системами, в которых происходит моделирование и управление технологических процессов. Это относится и к появлению так называемых цифровых заводов (умных заводов или смарт-заводов), которые построены на основе киберфизических систем.

2. Виртуализация – интеграция имитационных и виртуальных информационных моделей с реальными технологическими процессами, как на этапе проектирования процессов, так и при их реализации.

3. Децентрализация – способность киберфизических систем автономно принимать решения на основе технологий искусственного интеллекта.

4. Работа в режиме реального времени – возможность киберфизических систем анализировать технологические и производственные данные и предоставлять их в общую промышленную сеть, что требует обработки больших данных (Big Data).

Основными направлениями Индустрии 4.0 являются передовые технологии, благодаря которым четвертая промышленная революция стала реальностью. К наиболее важным из данных технологий можно отнести:

– Интернет вещей.

– Аддитивное производство.

– Искусственный интеллект, машинное обучение и робототехника.

– Большие данные, блокчейн и облачные вычисления.

– Виртуальная и дополненная реальность.

Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT) – облачная среда, объединяющая в единую управляемую сеть устройства, приборы и целые технологические системы, оснащённые средствами взаимодействия друг с другом или с внешней средой. Интернет вещей включает в себя не только физические устройства, но и виртуальные модели и среды, объединенные едиными коммуникационными сетями. Интернет вещей перестраивает технологические, организационные и даже социальные процессы, исключая из управления ими участие человека.

Технологии интернета вещей значительно расширяют возможности дистанционного обучения в образовании. Подключенные к интернету датчики, приборы, лабораторные установки и целые лаборатории позволяют организовать удаленные дистанционные учебные занятия с использованием реального, не виртуального, оборудования [7].

Аддитивное производство (3D-печать) – это процесс создания материальных объектов из цифровых моделей. Трехмерная модель проектируется в программе САПР, после этого предварительно проходит этап разбития модели на элементарные 2D слои и отправляется на печать в 3D-принтер. Области применения 3D-печати практически не ограничены в настоящее время. 3D-принтеры применяются в строительстве, медицине, образовании, архитектуре, дизайне, маркетинге, рекламе, автомобилестроении, моделировании одежды и обуви, археологии, ювелирной промышленности [8].

Аддитивные технологии активно внедряются и в технологическое образование. Рассмотрение этих технологий предусмотрено и Примерной основной образовательной программой основного общего образования. Многие используют 3D-принтеры в дополнительном образовании при проектировании и изготовлении деталей моделей, роботов, различных технических устройств.

Искусственный интеллект – раздел комплекса компьютерных наук, основной задачей которого является создание вычислительных систем, способных выполнять творческие функции, которые традиционно считаются выполнимыми лишь человеком. При этом интеллектуальная система – это программно-аппаратная система, решающая задачи, являющиеся творческими, имеющими отношение к определенной области знания. Такая система включает в себя вычислительную систему, базу знаний и интеллектуальный интерфейс, при помощи которого ведется общение с системой без специализированных программ для ввода данных. Основными направлениями, в которых проходят исследования в области искусственного интеллекта, являются: робототехника, системы распознавания изображений, символов, речи, машинное обучение.

Достижения в области искусственного интеллекта позволили очертить еще формирующийся в настоящее время раздел в педагогике – робопедагогика. Основные задачи такой области – проектирование и использование в образовательном процессе технологий искусственного интеллекта, таких как виртуальных помощников преподавателей – аватаров и чатботов (ботов-тьютеров, ботов-диагностов, ботов-энциклопедистов и т.п.).

Большие данные (Big Data) – технологии обработки информации огромных объёмов. Когда говорят о больших данных, следует иметь в виду не только большие объемы, но большие скорости получения, передачи и обработки информации, а также большое разнообразие видов и форматов данных. Технологии Big Data позволят решать многие научные задачи на совершенно другом уровне. Обработка больших массивов информации образовательных систем, анализ результата обучения и поведенческих особенностей учащихся позволит сформировать индивидуальные образовательные маршруты, что в настоящее время является крайне актуальным.

Виртуальная и дополненная реальность. Виртуальная реальность – технологии, в которых объект управления представляет из себя компьютерную модель реальности (англ. virtualreality, VR). Созданные техническими средствами объекты и субъекты моделей реальных объектов передаются человеку через его ощущения: зрение, слух, обоняние, осязание и т.д., при этом происходит имитация воздействия и реакции на это воздействие объектов.

Дополненная реальность – технологии, позволяющие проводить эксперимент, воспринимая смешанную реальность (англ. mixedreality), т.е. испытатель воспринимает кроме реальных объектов информацию, создаваемую с использованием «дополненных» с помощью компьютера виртуальных модельных элементов.

Виртуальная и дополненная реальность – это те технологии, которые будут эффективно применяться, в том числе и при дистанционном обучении, позволяя расширить возможности современного образования. На основе этих технологий создаются имитационные лабораторные стенды и лабораторные установки с элементами дополненной реальности.

Некоторые примеры влияния передовых технологий Индустрии 4.0 на содержание и средства обучения в современном образовании представлены в таблице.

Передовые технологии Индустрии 4.0 в содержании и средствах современного образования

Передовые технологии Индустрии 4.0

Передовые технологии Индустрии 4.0 в содержании и средствах современного образования

Интернет вещей

Учебные лаборатории удаленного доступа.

Дистанционные лабораторные стенды

Аддитивное производство

3D-принтеры в учебных мастерских.

3D-моделирование (в дисциплинах информатика, математика).

Изготовление деталей роботов, технических устройств в дополнительном образовании учащихся

Искусственный интеллект, машинное обучение и робототехника

Использование в образовательном процессе аватаров и чат-ботов для консультирования, тестирования и проектирования индивидуальных образовательных маршрутов учащихся.

Использование роботов присутствия при дистанционном обучении

Большие данные, блокчейн и облачные вычисления

Формирование защищенных портфолию учащихся и педагогов.

Фиксация сформированности учебных и профессиональных компетенций.

Использование в учебном процессе облачных технологий

Виртуальная и дополненная реальность

Использование в учебном процессе имитационных лабораторных стендов и лабораторных установок с элементами дополненной реальности (в дисциплинах физика, химия, биология, география и т.д.)

Передовые технологии находят свое отражение и в подготовке будущих учителей технологии, физики, информатики, преподавателей дополнительного образования. Так в Московском педагогическом государственном университете в образовательную программу подготовки учителей технологии и физики введены дисциплины: Образовательная робототехника, Lego-механика, Программирование мобильных устройств, 3D-проектирование, 3D-моделирование. В программе подготовки учителей информатики и технологии Московского городского педагогического университета присутствуют современные дисциплины: Компьютерное моделирование, Основы искусственного интеллекта, Основы образовательной робототехники, Основы работы в CAD-системах, Основы мехатроники и робототехники, Облачные технологии в проектной деятельности. В Сыктывкарском государственном университете имени Питирима Соркина при подготовке учителей физики и технологии студенты изучают такие дисциплины, как: Мехатроника и мобильная робототехника, Автоматика и микропроцессорная техника, Программирование микроконтроллеров, 3D-моделирование. И подобные дисциплины вводятся и в других педагогических вузах.

Еще один важный аспект, который следует рассмотреть в связи с Индустрией 4.0 – это появление новых профессий и отмирание существующих рынков труда и соответствующих им видов профессиональной деятельности.

Развитие промышленных технологий всегда приводило к изменениям в профессиональной деятельности людей, появлению новых и отмиранию невостребованных профессий. Автоматизация и роботизация индустриального производства исключила многие виды ручного труда и соответствующие специальности. Введение в производство технологий искусственного интеллекта в ближайшее время может привести к невостребованости и некоторых профессий интеллектуального труда.

При поддержке Агентства стратегических инициатив при Президенте РФ и Московской школы управления «Сколково» были проведены исследования, обобщающие и систематизирующие изменении, которые происходят в современных рынках производства и услуг и требований к специалистам, работающим на этих рынках. Результаты анализа были оформлены в виде «Атласа новых профессий» [9], в котором представлены профессии, которые будут востребованы в ближайшей перспективе. Атлас содержит две части. Первая часть посвящена профессиям, которые появятся совсем скоро (к 2020 г.) и в относительно недалекой перспективе 2030 г. Проанализированы более 20 отраслей, среди которых биотехнологии, медицина, робототехника и машиностроение, транспорт, финансовый сектор, культура и искусство и т.д. Во второй части представлены профессии, названные профессии-пенсионеры, среди которых проанализированы устаревающие интеллектуальные и рабочие профессии на горизонте 2020–2030 гг.

Конечно, изменения в профессиональной деятельности произойдут и в системе образования. Появятся новые специалисты, владеющие не только современными информационно-коммуникационными компетенциями, но и передовыми психолого-педагогическими технологиями. Прогнозируется появление игропедагогов, создающих образовательные программы на основе игровых методик, разработчиков инструментов обучения состояниям сознания, проектирующих оборудование и программное обеспечение для обучения пользователей продуктивным состоянием сознания, тренеров по майнд-фитнесу, разрабатывающих программы развития индивидуальных когнитивных навыков и т.д. [8].

Заключение

Как видно из проведенного анализа, некоторые направления Индустрии 4.0, такие как интернет вещей, аддитивное производство, виртуальная и дополненная реальность, робототехника, находят свое отражение в технологическом образовании в школе, в подготовке учителей технологии и инженерном образовании. В образовательных программах появляются новые дисциплины, учебные модули, новые магистерские программы, позволяющие учесть особенности, происходящие в современном промышленном производстве. Но вместе с тем такие направления, как искусственный интеллект, большие данные, только недавно стали предметом исследований в современном образовании, и приложения этих технологий в ближайшем будущем существенно изменит содержание, формы и средства обучения инновационного образования.


Библиографическая ссылка

Китайгородский М.Д. ИНДУСТРИЯ 4.0 И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 11-2. – С. 290-294;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=37320 (дата обращения: 03.06.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074