Введение

Рынок труда требует от выпускников инженеров-нефтяников высокого уровня готовности к будущей деятельности на производстве в условиях цифровой трансформации. Применение в нефтегазовом комплексе цифровых оболочек, методов моделирования систем и объектов, технологии больших данных, цифровых двойников, предиктивной диагностики и искусственного интеллекта обеспечивает технологическое лидерство нефтегазового комплекса России [1, с. 58]. Цифровые компетенции необходимы для работы в нефтегазовом комплексе, и, по мнению работодателей, они являются дефицитами подготовки инженеров-нефтяников [2, с. 15]. Индустриальные партнеры подчеркивают, что выпускники технических вузов должны уметь работать с профессиональными программами, владеть цифровыми компетенциями и использовать искусственный интеллект для выполнения профессиональных задач [3]. Цифровая трансформация требует перестройки процесса подготовки будущих инженеров [4]. Решением данной проблемы стала разработка технологии подготовки инженеров-нефтяников для высокотехнологичного нефтегазового комплекса.

Цель исследования – разработать и обосновать технологию подготовки инженеров-нефтяников с использованием цифровых средств обучения (ЦСО) для высокотехнологичного нефтегазового комплекса и провести ее апробацию в образовательном процессе технического вуза.

Материалы и методы исследования

Методы исследования: анализ профессиональных стандартов нефтегазового комплекса, опрос удовлетворенности работодателей, изучение научных и научно-педагогических работ в области цифровизации образования, педагогический эксперимент в Тюменском индустриальном университете.

Результаты исследования и их обсуждение

Технология подготовки инженеров – это не просто набор дисциплин, а целостная система, которая сочетает фундаментальное образование с глубокой практико-ориентированной составляющей, развивает необходимые компетенции и готовит специалиста к работе в условиях быстро меняющегося технологического уклада. Можно отметить, что технология подготовки обладает следующими признаками: целеполагание, плановость, непрерывность, обоснованность, персонализация, диагностируемость, достижение планируемого результата. Многие ученые изучали технологии обучения: Л. С. Выготский заложил теоретические основы обучения [1], а В. П. Беспалько [5], Э. Ф. Зеер [6], К. Дьюк, Г. К. Селевко [7] и др. разрабатывали образовательные технологии на основе разных подходов.

В созданной технологии подготовки инженеров-нефтяников особое внимание уделено цифровым образовательным ресурсам. В нашем представлении, это не новая образовательная технология, а иной уровень организации обучения по созданию инженера нового типа, способного, применяя цифровые технологии, обслуживать производство на протяжении всего жизненного цикла изделия с увеличением эффективности технологического процесса [8; 9]. Ключевыми принципами технологии подготовки будущих инженеров-нефтяников являются участие индустриальных партнеров в проектировании образовательных программ; повышение практико-ориентированности образовательного процесса подготовки специалиста быстро адаптирующегося к рынку труда; развитие компетенций на основе цифровых технологий и ИИ. Главной особенностью является погружение в решение реальных производственных задач через производственные практики, проведение практических и лабораторных работ с использованием цифровых средств обучения, выполнение проектов по реальным заказам индустриальных партнеров. Подготовку сопровождают цифровые инструменты: компьютерное моделирование пластовых систем, программные комплексы для проектирования и оптимизации добычи углеводородов, виртуальная и дополненная реальность (VR/AR) для отработки действий в штатных и нештатных ситуациях. Это повышает эффективность освоения материала и реализацию индивидуальных образовательных траекторий с учетом выбранного профиля. По результатам обучения проводят оценку сформированных цифровых компетенций: В целом технология подготовки инженеров-нефтяников направлена на то, чтобы как можно раньше «погрузить» студента в профессиональную среду, связать абстрактные знания с реальными вызовами индустрии.

Реализации технологии подготовки инженеров-нефтяников проходит по этапам (курсам), каждый курс наполняется цифровым дидактическим сопровождением образовательного процесса. Дидактическое сопровождение, представляет систему взаимосвязанных средств обучения, которая обеспечивает единство педагогического воздействия и помогает эффективно решать образовательные задачи на разных этапах обучения с участием работодателей. Дидактический комплекс подготовки инженеров-нефтяников включает цифровые программно-аппаратные средства и учебно-методические материалы: электронную образовательную среду Educon, массовые открытые онлайн-курсы (МООК), виртуальные лабораторные работы (ВЛР), прикладную профессиональную программу «Компас 3D V25» для 3D моделирования, автоматизированные рабочие места по управлению добычей нефти и газа (АРМ СУ ДНГ), конструкторскую лабораторию с возможностью применения аддитивных технологий (3D печати), электронные учебники, методические указания и пособия, автоматизированные программы для оценки итоговых знаний, чат-боты и др.

Педагогический процесс построен последовательно, на каждом курсе студент погружается в профессиональную среду и решает реальные задачи отрасли. Организация образовательного процесса построена на электронной образовательной среде Educon Тюменского индустриального университета (ТИУ). Обучающийся, используя электронную среду на протяжении всего обучения в вузе, может изучать теоретический материал в виде текста, презентаций или видео (рис. 1), выполнять практические и лабораторные работы используя ВЛР, проходить тесты контроля и т. п. [10; 11].

Для изучения естественно-научных дисциплин созданы массовые открытые онлайн-курсы (МООК), которые позволяют обучать большое количество обучающихся, где бы они ни находились, в удобном темпе, совмещая с работой или другой занятостью. Студент выступает субъектом собственной учебной деятельности, формирует компетенции, а обучение трансформируется в гибридное.

На 1-м курсе освоение инженерных дисциплин начинается с профессиональной программы «Компас 3D V25» предназначенной для конструкторской подготовки студентов и развития цифровых компетенций в виде выполнения трехмерного моделирования объектов, расчетов физических величин и прочностных характеристик объекта, сборочных чертежей, спецификаций и другой технической документации (дисциплины «Компьютерная графика», «Инженерный дизайн»).

Рис. 1. Программа поддержки учебного процесса Educon Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Рис. 2. 3D-модель сборочной единицы и напечатанная деталь Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

После освоения навыков создания 3D-объектов на 2-м курсе студенты изучают аддитивные технологии с целью изготовления прототипов изделий посредством печати на 3D-принтере в виде послойного изготовления (рис. 2). Обучение последовательно проходит на дисциплинах, специально введенных в учебный план для формирования цифровых компетенций по 3D-моделированиею и 3D-печати: «Инженерный дизайн», «Прототипирование», «Концептуальный инжиниринг». Аддитивные технологии создают новые возможности по созданию деталей фасонной формы, позволяют выполнять реальные производственные задачи, формируют цифровые компетенции у будущих инженеров [12].

На 3-м и 4-м курсах для формирования профессиональных и цифровых компетенций будущих нефтяников на кафедре «Нефтегазовое дело» ТИУ применяют тренажер АРМ СУ ПДНГ, имитирующий добычу нефти на месторождении. Используя тренажер, студенты изучают виды добычи нефти, нефтегазовое оборудование, технологии добычи нефти, методы освоения скважины, способы устранения аварийных ситуаций и др. (рис. 3). Тренажер имитирует кустовую площадку из 10 скважин, на которой присутствуют добывающие и нагнетательные скважины с технологическим оборудованием. Выполнение лабораторных работ способствует формированию компетенций и отработке практических навыков при выполнении операций технологического процесса. Успешному обучению способствуют учебно-методические пособия по лабораторным работам дисциплин «Скважинная добыча нефти», «Оборудование для добычи нефти» и др. Геймификация образовательного процесса посредством применения виртуальных лабораторных работ (ВЛР), VR, AR способствует развитию цифровых компетенций. Компьютерные модели дают возможность выполнять любые лабораторные и практические работы, научные эксперименты и т. д. Работу в виртуальных лабораториях могут проводить люди с ограниченными возможностями здоровья и др. [13; 14].

Современными инструментами цифровизации обучения являются использование интерактивной доски, создание презентаций, генерирование различных заданий, опросов, тестов контроля знаний с помощью различных программ (Яндекс Формы, ChatGPT, чат-боты), создание виртуальных лабораторных работ, просмотр интерактивных видеороликов, организация видеолекций и др. [16].

Подготовка инженера-нефтяника дополняется применением искусственного интеллекта (ИИ) в виде чат-ботов на протяжении всего обучения. ИИ позволяет преподавателю создавать учебный контент, адаптируя сложность заданий, темп работы и содержание под каждого обучающегося и этим повышая эффективность обучения [17; 18]. Использование ИИ позволяет передавать некоторые функции преподавателя ИИ, но с постоянным сопровождением обучения человеком. ИИ может рассказывать новый материал, демонстрировать видеоролики, видеопрезентации, регистрировать планы студента и преподавателя, выдавать задания в виде методических пособий или указаний, отвечать на стандартные и повторяющиеся вопросы, осуществлять поддержку решения несложных задач, подбирать литературу по теме исследования и др. В перспективе студент должен думать, что он общается не с искусственным интеллектом, а с живым человеком. Выделены шесть основных направлений обучения искусственным интеллектом: представление знаний, манипулирование знаниями, общение, восприятие, обучение. В процессе обучения ИИ может дополнительно обучаться, накапливать новые знания, учиться дополнительным выражениям в изучаемой профессиональной деятельности [19; 20].

Рис. 3. АРМ СУ ПДНГ Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Важной задачей ИИ является диагностика достижений и мониторинг системы личностных и когнитивных качеств обучаемого в цифровой среде профессионального образования [21]. Для этого создается портфолио, которое содержит личные данные и все достижения студента в процессе обучения. Студенты имеют разный уровень знаний, умений и компетенций, обладают разными психофизиологическими характеристиками и когнитивными способностями [22]. С помощью систем ИИ возможно прогнозировать успеваемость студента, выявлять сложные темы для изучения, усиливать подготовку на основе пробелов и запросов студента и работодателей, «повышать инициативность студентов в образовательном процессе» [23, с. 18].

Проблематике совершенствования подготовки инженеров в настоящее время посвящено большое количество исследований, поскольку их эффективность напрямую зависит от слаженного взаимодействия человека и цифровых технологий. Она рассматривается с позиций педагогики, психологии, сетевых технологий и искусственного интеллекта, но существующие исследования с точки зрения цифровизации образовательного процесса являются недостаточными.

Гибридное и смешанное обучение требуют от преподавателя владения цифровым инструментарием. Преподаватели должны эффективно использовать современные технологии для улучшения качества обучения, реализовывать новые методики преподавания, создавать образовательный контент (видеолекции), уметь работать с ИИ. С внедрением цифровых технологий преподаватель превращается в организатора образовательного процесса, фасилитатора, который помогает студентам учиться. Преподаватель постоянно должен повышать свою квалификацию, заниматься самообразованием для освоения ИИ, создавать дидактические материалы и комплексы с использованием цифровых технологий, формировать «цифровой образ» преподавателя [24].

Обучение по предлагаемой технологии подготовки инженеров-нефтяников по формированию цифровых компетенций проводилось в ТИУ на кафедре «Нефтегазовое дело» со студентами направления 21.03.01. Нефтегазовое дело профиль «Эксплуатация и обслуживание объектов добычи» нефти в 2020–2025 гг. В эксперименте приняли участие: в контрольной группе 21 чел., в экспериментальной группе 45 чел. В экспериментальной группе использовалась технология подготовки инженеров-нефтяников с использованием цифровых средств обучения. В результате взаимодействия дидактических компонентов: ЭОС, МООК, аддитивных технологий, виртуальных тренажеров и ВЛР, ИИ – было выявлено, что они способствуют эффективной подготовке будущих инженеров-нефтяников для дальнейшей успешной профессиональной деятельности на предприятиях нефтегазового комплекса.

В качестве реализации технологии подготовки инженеров-нефтяников для обучения применялись цифровые средства обучения, встроенные в электронную образовательную среду университета. Последовательное выполнение различных заданий с использованием цифровых инструментов формирует цифровые компетенции, необходимые инженеру-нефтянику для работы в высокотехнологичном нефтегазовом комплексе. Уровни развития цифровых компетенций на формирующем эксперименте оценивались на всех этапах эксперимента (с 1-го по 4-й курс) по результатам выполнения контрольных заданий, кейс-заданий, проектов, курсовых работ по дисциплинам, выпускной квалификационной работы. Оценка всех результатов рассчитывалась по методике А. В. Усовой:

(1)

где k – коэффициент эффективности выполнения задания, деятельности или усвоения учебного материала;

n – количество баллов, которое получил i-й студент, выполнив необходимые действия и операции;

N – количество студентов;

nmax – максимальное количество баллов за выполнение упражнений.

На каждом этапе (курсе) были выделены работы для оценки уровня развития цифровых компетенций. На 1-м этапе (курсе) оценивалась итоговая работа по дисциплине «Инженерный дизайн» по проектированию 3D-прототипа изделия. На 2-м этапе (курсе) проводилась публичная защита проекта по представлению опытного образца, напечатанного на 3D-принтере. На 3-м этапе (курсе) оценивался цифровой двойник технологического оборудования. На 4-м этапе (курсе) оценка выставлялась экспертами государственной экзаменационной комиссии за цифровую часть выпускной квалификационной работы в виде математической модели, программного обеспечения и др. В ходе выполнения ВКР каждым студентом экспериментальной группы были созданы математические модели, системы предиктивной диагностики технологического оборудования, 3D-модели, прототипы и др.

Рис. 4. Диаграмма изменения средних уровней развития цифровых компетенций (в баллах) в экспериментальной и контрольной группах на этапах формирующего эксперимента Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Частоты результатов наблюдений

Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.

В эксперименте принимали участие ведущие специалисты индустриальных партнеров совместно с преподавателями вуза в качестве консультантов проектов. Обычно лекции читались в стенах университета, а изучение профессиональных прикладных программ, моделирование проходило на территории предприятия-партнера с участием специалиста с производства. Например, на дисциплине «Моделирование нефтяных и газовых месторождений» лекции читались в университете, а лабораторные работы проходили в отделе по моделированию месторождений индустриального партера, на дисциплине «Геология» студенты изучали реальные и цифровые керны в кернохранилище и др.

На рис. 4 представлена диаграмма уровней развития цифровых компетенций будущих инженеров-нефтяников экспериментальной и контрольной групп на этапах формирующего эксперимента. Анализ результатов формирующего эксперимента показывает, что в процессе подготовки от этапа к этапу (курса к курсу) растет уровень сформированности цифровых компетенций у будущих инженеров-нефтяников. Диаграмма позволяет проследить динамику роста цифровых компетенций у студентов экспериментальной и контрольной групп. Как видим, в экспериментальной группе на этапе формирующего эксперимента значительно возрос средний уровень развития цифровых компетенций – от 16 баллов после усвоения 1-го этапа до 88 баллов после усвоения 4-го этапа. При этом в контрольной группе средний уровень развития профессиональных компетенций вырос с 17 только до 58 баллов, что свидетельствует об эффективности технологии подготовки инженеров-нефтяников для высокотехнологичного нефтегазового комплекса.

Для достоверности полученных результатов был проведен анализ статистически значимых различий между результатами констатирующего и формирующего экспериментов в экспериментальной группе с помощью метода Хи-квадрат. Расчеты проводились по формуле

, (2)

где Pk – частоты результатов наблюдений до эксперимента;

Vk – частоты результатов наблюдений, сделанных после эксперимента;

m – общее число групп, на которые разделились результаты наблюдений.

Были приняты уровни развития цифровых компетенций: высокий (1÷0.75), средний (0.51÷0.74), низкий (0.5÷0.3)

В таблице приведены частоты результатов наблюдений по 1-му и 4-му этапам.

Определим степень значимости различий до и после эксперимента в распределении баллов. Полученное значение χ2 = 129,8 больше соответствующего табличного значения составляющего 9,21 при 2-й степени свободы, при вероятностной допустимой ошибке 0,1 %. Это свидетельствует о статистически значимых изменениях результатов формирующего эксперимента, которые произошли вследствие реализации предложенной технологии обучения.

Математико-статистический анализ проводился при помощи стандартизованной программы IBM SPSS Statistics 17.0. с использованием непараметрического статистического U-критерия Манна – Уитни. Проводилось сопоставление результатов (до формирующего воздействия) на предмет отсутствия статистически достоверных различий между экспериментальной и контрольной группами. Результаты, полученные в ходе его применения, продемонстрировали отсутствие статистически достоверных различий между выборками.

Оценивались результаты трудоустройства выпускников по направлению 21.03.01. Нефтегазовое дело (бакалавриат) в 2025 г.: через 3 месяца после получения диплома 84 % работают в нефтегазовом комплексе, 3 % служат в армии, 12 % продолжают обучение в магистратуре, 1 % в поисках работы. По результатам мониторинга летом 2026 г. трудоустроено 100 % студентов. Успешное трудоустройство выпускников кафедры «Нефтегазовое дело» Тюменского индустриального университета подтверждают национальные рейтинги Министерства труда РФ (12-е место по результатам трудоустройства выпускников). При формировании рейтинга учитывались доля трудоустроившихся выпускников и медианный доход через 2 года после выпуска1.

Выводы

Значимым дидактическим аспектом функционирования цифровых образовательных ресурсов является их гармоничное встраивание в ЭОС университета, состоящую из дидактических комплексов дисциплин, обеспечивающих полноценное освоение – от приобретения знаний до формирования компетенций. ЭОС университета должна обеспечивать коммуникации между преподавателем и студентом для консультирования и контроля. Причем обратная связь может быть организована посредством ИИ. Все работы студента и отклики преподавателя, которые остаются в виде «цифрового следа», позволяют выстраивать персонализированные траектории обучения студентов в зависимости от индивидуальных способностей студента. Реализация подготовки студентов с использованием цифровых образовательных ресурсов на кафедре «Нефтегазовое дело» Тюменского индустриального университета показала, что они способствуют успешному формированию компетенций, развитию практических навыков и отвечают запросам предприятий нефтегазового комплекса.

По результатам эксперимента можно отметить, что:

− образовательные результаты подготовки будущих инженеров должны отвечать требованиям индустриальных партнеров и способствовать быстрой адаптации на производстве через раннее вовлечение студентов в решение реальных задач отрасли;

− образовательные программы должны быть персонализированы и ориентированы на развитие цифровых компетенций и интеграции искусственного интеллекта в процесс обучения;

− стоит активно применять цифровые инструменты (тренажеры, виртуальные лабораторные работы (ВЛР), VR, AR) для погружения в будущее профессиональное поле деятельности.

В ХХI в. технологии меняются каждые несколько лет. Тотальная автоматизация и цифровизация производства требует трансформировать образовательные результаты подготовки инженеров-нефтяников в связи с повышением сложности технических объектов, многозадачностью технологических процессов, внедрением Индустрии 4.0, сложностью внешней среды. Профессиональная деятельность инженеров постоянно сопровождается цифровыми технологиями, обучение которым является не только важнейшей, но и наиболее сложной составляющей кадрового обеспечения инженеров. Проблемой является необходимость использования для подготовки инженеров-нефтяников цифровых средств обучения, электронных образовательных ресурсов, искусственного интеллекта, тренажеров, имитирующих технологический процесс производства. Программное обеспечение стоит дорого, может находиться под санкциями, а российские нефтегазовые компании не всегда хотят делиться лицензиями корпоративных программ.

В целом современная технология подготовки инженеров-нефтяников направлена на то, чтобы как можно раньше «погрузить» студента в профессиональную среду, связать абстрактные знания с реальными вызовами индустрии. В итоге такой подход помогает вырастить инженера, который понимает, как теоретические знания работают в реальных задачах отрасли, глубоко погружен в свою профессиональную область, быстро адаптируется на производстве.