Согласно государственной программе Российской Федерации «Развитие образования» [1], повышение доступности, эффективности и качества образования в соответствии с реалиями настоящего и вызовами будущего является одним из базовых направлений реализации государственной политики. Цифровизация общества, являющаяся современным вызовом для всех сфер социально-экономических отношений, включая образование, предполагает как обязательное использование цифровых технологий в образовательном процессе, так и цифровую грамотность обучающихся.

Подготовка высокообразованных людей и высококвалифицированных специалистов, способных к профессиональному росту и профессиональной мобильности в условиях информатизации общества и развития новых наукоёмких технологий является одной из основных задач образования [2].

Одной из отраслей, которая характеризуется внедрением новейших компьютерных и информационных технологий, является электроэнергетика. Развитие современной электроэнергетики требует высокого уровня подготовки и переподготовки обучающихся. Подготовка, повышение квалификации и профессиональная переподготовка слушателей в энергетических вузах должна осуществляться с учётом требований энергетических компаний и производств, а также иметь всё бóльшую практическую направленность, что, несомненно, должно учитываться при разработке и актуализации учебных планов и программ основного и дополнительного профессионального образования.

Результатом качественного образования должна являться система знаний, навыков и умений специалиста, которые востребованы в профессиональной среде и обществе в целом. Таким образом, движущим фактором развития современной образовательной среды является необходимость следовать современным тенденциям и вызовам, сочетая повсеместное внедрение современных технологий и программных комплексов в учебный процесс с системой классического обучения.

Ниже рассмотрен опыт Научно-образовательного центра «Экология энергетики» НИУ «МЭИ» (НОЦ «Экология энергетики») в части применения технологий виртуальной реальности, которые успешно внедрены в процесс обучения слушателей по программам профессиональной переподготовки и повышения квалификации по направлениям «Теплоэнергетика и теплотехника» и «Электроэнергетика и электротехника».

Сотрудники энергетических предприятий и производств должны иметь не только профильное энергетическое образование, но и обладать достаточными компетенциями в энергетике, что может быть обеспечено только через постоянно действующую систему подготовки, повышения квалификации и профессиональной переподготовки сотрудников энергокомпаний [3]. Именно с этой целью в 1997 году в НИУ «МЭИ» был создан НОЦ «Экология энергетики». Основные направления деятельности Центра:

  • выполнение научно-технических работ и оказание научно-технических услуг по проблемам экологии энергетики и обращения с золошлаками ТЭС с применением наилучших доступных технологий;
  • информационное обеспечение природоохранной деятельности энергокомпаний;
  • обучение сотрудников энергопредприятий и энергокомпаний ТЭК по различным программам повышения квалификации и профессиональной переподготовки в области энергетики;
  • международное сотрудничество.

С 1998 года прошли обучение по различным программам дополнительного профессионального образования около 2000 специалистов основных энергетических специальностей.

В процессе обучения по программам повышения квалификации и профессиональной переподготовки в Центре постоянно используются элементы информационно-коммуникационных технологий (ИКТ), что делает учебный процесс более полным и эффективным, а также существенно упрощает коммуникацию между преподавателями и слушателями. Разрабатываются новые и актуализируются имеющиеся программы дополнительного профессионального образования с учётом совершенствования законодательства, развития новой техники и современных технологий. Для слушателей программ повышения квалификации и профессиональной переподготовки НИУ «МЭИ», являющихся сотрудниками энергетических предприятий, целью обучения является приобретение новых знаний, а также совершенствование навыков и умений с получением максимального эффекта в сжатые сроки, поэтому подход к их обучению отличается от традиционных подходов, применяемых к студентам вузов.

Обращаясь к изречению Альберта Эйнштейна «Информация в чистом виде — это не знание. Настоящий источник знания — это опыт», можно предположить, что повышению качества знаний может способствовать увеличение опыта. То же происходит с формированием навыков и умений. Получается, что для повышения качества образования необходимо увеличить количество опыта, получаемого специалистами во время обучения.

Но как обеспечить необходимое количество опыта для большого числа обучаемых? Наряду с прослушиванием и просмотром информации, проведением практических и лабораторных работ, подготовкой и защитой курсовых проектов, в НОЦ «Экология энергетики» успешно используются инструменты визуализации энергетического оборудования. При использовании подобных инструментов отсутствуют ограничения, связанные с покупкой дорогостоящих материалов или комплектующих, ограниченным временем доступа к современному дорогостоящему оборудованию, соблюдением правил и норм техники безопасности, невозможностью допуска обучаемых к работающему оборудованию.

Таким образом, в результате использования современной технологии виртуальной реальности в образовательном процессе отсутствует временной разрыв между подачей информации и её усвоением на практическом опыте.

По сути, воспринимаемая человеком реальность субъективна и определяется его мозгом, который руководствуется органами чувств и полученным ранее опытом. При построении виртуальной реальности осуществляется воздействие на органы чувств, что позволяет сформировать в мозге ощущение «вполне реальной реальности». Основными органами чувств являются зрение, слух, осязание, обоняние, вкус, и все эти органы несут различную нагрузку при восприятии информации. По разным оценкам, на органы зрения приходится около 90% воспринимаемой информации, на органы слуха — 9%, на остальные приходится 1%. Поэтому для формирования виртуальной реальности, в которой человек будет воспринимать информацию аналогично настоящей реальности, достаточно воздействовать на органы зрения и слуха. На сегодняшний день такая технология уже не только создана, но и успешно функционирует [4].

Известны эффективные примеры применения технологий виртуальной реальности в обучении за рубежом: в компаниях CM Labs [5], Ford [6], Hyundai Motor [7], нефтесервисной компании Schlumberger [6], компаниях Lincoln Electric [8], Lockheed Martin Corp. и т. д.

Подобные технологии имеют ряд преимуществ: наглядность материала, доступность объектов, технологий и процессов, ретранслируемость, безопасность, вовлечённость обучающихся, погружение в трёхмерное пространство и фокусировка обучающихся. Согласно исследованиям американской компании Gartner, специализирующейся на рынках информационных технологий, через год после обучения в виртуальной реальности учащиеся сохраняют 80% знаний, тогда как после традиционных уроков — только 20%.

В виртуальной реальности гораздо проще реализовать нелинейный сценарий, добавляя непредвиденные события и обучая правильной реакции на них, или сделать сценарий гибким, когда каждое следующее событие зависит от предшествующего действия (так называемые «эвристические задачи»).

Благодаря тому, что в VR человек воспринимает себя как часть происходящего, его действия, стресс и эмоции будут близки к таковым в реальных ситуациях. Данная технология максимально интерактивна. Учащийся не просто наблюдает, он участвует в процессе, более того, сопереживает происходящему, что доказали исследования, проведённые в Стэнфорде.

В Научно-образовательном центре «Экология энергетики» НИУ «МЭИ» технологии VR в обучении энергетиков применяются на практике. С 2020 по 2022 годы были разработаны и внедрены в обучение три проекта.

1. Визуализация парового котла (фото 1) внедрена Научно-образовательным центром «Экология энергетики» НИУ «МЭИ» в процесс обучения слушателей — сотрудников энергетических компаний и производств, обучающихся по программам повышения квалификации и профессиональной переподготовки по направлениям «Теплоэнергетика и теплотехника» и «Электроэнергетика и электротехника» в 2020–2022 учебных годах.


Фото 1. Визуализация парового котла. Вид из гарнитуры виртуальной реальности

За основу взят реально существующий паровой прямоточный котёл типа ТГМП-314. Компьютерная модель позволяет «погрузиться» в котёл, пройти по водопаровому и газовоздушному трактам котла, оценить его габариты, лучше представить работу элементов котла и котельной установки в целом. Подобный опыт может быть полезен как слушателям программ дополнительного профессионального образования, так и студентам энергетических специальностей, аспирантам и сотрудникам энергокомпаний, которые являются новичками на рабочем месте и ещё не имеют опыта практической деятельности или не работают с конкретным энергетическим оборудованием.

2. Визуализация элегазового комплектного распределительного устройства (КРУЭ) 110 кВ (фото 2) внедрена Научно-образовательным центром «Экология энергетики» НИУ «МЭИ» в процесс обучения слушателей энергетических предприятий и производств, обучающихся по программам повышения квалификации и профессиональной переподготовки по направлениям «Электроэнергетика и электротехника» и «Теплоэнергетика и теплотехника» в 2021–2022 учебных годах. За основу взято реально существующее КРУЭ 110 кВ. В рамках проекта слушатели не только знакомятся с основными элементами, но и имеют возможность увидеть принципы работы элегазового выключателя, наблюдая его анимированную работу в разрезе.


Фото 2. Визуализация элегазового комплектного распределительного устройства (КРУЭ). Вид из гарнитуры виртуальной реальности

3. Визуализация элементов паровой турбины Т-250 (фото 3) с применением технологий виртуальной реальности внедрена Научно-образовательным центром «Экология энергетики» НИУ «Московский энергетический институт» в процесс обучения слушателей энергетических предприятий и производств, обучающихся по программам повышения квалификации и профессиональной переподготовки по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника» в 2022 учебном году. За основу взята реально существующая паровая турбина Т-250/300–240.


Фото 3. Визуализация турбины. Вид из гарнитуры виртуальной реальности

Разработанная трёхмерная модель турбины позволяет ознакомиться с принципом её работы, движением потоков пара в цилиндрах турбины, а также со всеми основными и вспомогательными элементами цилиндров высокого, низкого и среднего давления.

По результатам внедрения в процесс обучения НОЦ «Экология энергетики» всех трёх проектов проведены опросы слушателей, оценены результаты защиты курсовых проектов и проведённых контрольных мероприятий, что доказало существенно более высокую эффективность новой формы подачи материала в комбинации с традиционными формами и методиками обучения (фото 4).


Фото 4. Обучение в гарнитурах виртуальной реальности в НОЦ «Экология энергетики»

Перспективы применения обучения в виртуальной реальности для инженерного образования — огромны.

По типам подачи материала в виртуальной реальности можно условно выделить:

1. Демонстрации процессов. Возможность наглядно показать любой процесс, погрузиться внутрь него и наблюдать формирование последствий данного процесса. Например, демонстрация процессов, происходящих в паровом котле при его запуске, или типичные аварийные процессы в паровой турбине. Визуальное представление происходящего усиливает запоминание, улучшает понимание, ведёт к более осознанным действиям.

2. Виртуальные экскурсии. Возможность пройти по помещениям и оборудованию, с которым предстоит работать. При этом нет необходимости останавливать работу оборудования, отсутствует опасность получения травм при прохождении, обучаемый абсолютно чётко запоминает расположение оборудования, шкафов средств защиты, путей эвакуации и т. п. Любой обучаемый может повторить «проходы» любое количество раз без очного присутствия в аудитории или на объекте без участия инструктора.

3. Симуляторы оборудования. Возможность отработать навыки взаимодействия с оборудованием. Обучаемый может выполнять в виртуальной реальности действия в соответствии со сценарием (протоколом выполнения операций, технологической картой) и получать обратную связь от системы. Наглядность и запоминаемость — практически такие же, как при выполнении операций на реальном оборудовании. Вместе с тем нет необходимости создавать тренажёр из реального оборудования; в виртуальной реальности может быть создано достаточное количество конфигураций оборудования и площадок, при этом всё обучение будет проходить в одной небольшой комнате.

4. Симуляторы ситуаций. Возможность отработать реакции на критические, стрессовые ситуации. Например, спуск в шахту канализации может повлечь за собой удушье. Это совершенно не очевидно, и такие случаи продолжают происходить. Испытав симуляцию стрессовой ситуации, обучаемый получает незабываемый опыт, который будет беречь его в течение всей долгой трудовой жизни.

Применение симуляторов оборудования и ситуаций может быть использовано для аттестации специалистов или оценке навыков нового сотрудника при приёме на работу. Современный уровень развития систем виртуальной реальности позволяет отслеживать действия обучаемого в виртуальной реальности и давать оценку этим действиям в зависимости от предложенного сценария.

Всё это позволяет снизить субъективность преподавателя и исключить случаи, когда инструктаж на производстве ограничивается подписыванием журнала о его проведении.

В настоящее время разработка и внедрение в образовательный процесс современных технологий, в том числе технологий виртуальной реальности, является необходимостью и отвечает вызовам времени. В электроэнергетической отрасли это возможно только при востребованности со стороны ключевых энергетических компаний: ООО «Газпром энергохолдинг», ПАО «РусГидро», АО «Концерн Росэнергоатом», ОГК, ТГК, ПАО «Россети». В упомянутых компаниях работает большое количество оперативного и ремонтного персонала, который непосредственно взаимодействует с электротехническим и теплоэнергетическим оборудованием. Не все сотрудники энергетических предприятий и производств имеют энергетическое образование по профилю их текущей деятельности. Для таких категорий сотрудников, которые проходят программы профессиональной переподготовки, подобные инструменты с применением технологий виртуальной реальности являются особенно актуальными и важными для понимания процессов, работы оборудования и т. д. Сотрудники энергокомпаний, имеющие профильное энергетическое образование, должны регулярно проходить повышение квалификации, аттестацию и переаттестацию.

Повышение эффективности процессов обучения за счёт внедрения инструментов в виртуальной реальности будет иметь не только значительное воздействие, выражающееся в росте качества образования, но и прямой экономический эффект за счёт сокращения времени обучения, автоматизации значительной части процесса обучения, сокращения затрат на площадки и полигоны с оборудованием, а также затрат на доступ обучающихся на объекты с реальным оборудованием при отсутствии риска для здоровья и жизни сотрудников энергокомпаний, обучающихся по различным программам повышения квалификации и профессиональной переподготовки. Адаптация технологии на текущем уровне её развития под конкретные задачи каждой компании не вызывает технических сложностей.

Вместе с тем требуются инициативный подход со стороны руководства ключевых компаний ТЭК и готовность к использованию современных эффективных средств обучения прежде всего оперативного и ремонтного персонала.