Какие предметы будущие инженеры изучают в вузе

Инженер — это квалифицированный специалист, который занимается проектированием, разработкой и внедрением технологий. Перед поступлением в вуз абитуриенты интересуются, чему предстоит учиться на специальности. Мы рассмотрели рабочие программы ведущих университетов страны и подготовили гид по базовым дисциплинам. Рассказываем, какие предметы изучают инженеры и в чём их важность для разных направлений.

Математика и физика

Это база инженерно-технического образования, основную информацию учат ещё в школе. В вузе студенты углубляют знания и изучают практические аспекты применения законов и формул.

Математический анализ

Курс охватывает теорию действительного числа, теорию пределов, теорию рядов, дифференциальное и интегральное исчисление и их приложения. Математический анализ на инженерных специальностях изучают на первом или втором курсе, в зависимости от учебного заведения и программы. Полученные знания используются в разных сферах:

• Строительство и архитектура — для расчёта нагрузок, устойчивости конструкций и оптимизации материалов.
• Механика — для решения задач динамики и статики. Например, с помощью дифференциальных уравнений описываются движения тел, а методы интегрирования помогают рассчитывать работу и энергию систем.
• Электротехника — для анализа электрических цепей, сигналов и систем управления.
• Автоматизация и робототехника — для создания алгоритмов управления и обработки сигналов.
• Технологический процесс — при проектировании производственных процессов необходимо учитывать математические модели, чтобы оптимизировать поток материалов и минимизировать затраты.

Линейная алгебра

Курс учит создавать точные математические модели для решения инженерных задач. В вузе студенты изучают, как работать с данными, организованными в упорядоченные наборы чисел (векторы) и таблицы чисел (матрицы). Это основа для решения систем линейных уравнений, которые необходимы при моделировании практических задач: от расчёта прочности моста до обработки цифрового сигнала. 

Линейную алгебру изучают на первом курсе. Объём дисциплины зависит от факультета и специальности. В некоторых вузах линейную алгебру могут изучать в течение двух или одного семестра. На программах с углублённой математической подготовкой дополнительные темы по алгебре читаются и в третьем семестре. Изучение дисциплины актуально для многих инженерных специализаций:

• Машиностроение — курс посвящён основам линейной алгебры, на которых строится математический аппарат теории систем линейных уравнений, векторной алгебры и аналитической геометрии.
• Авиация и ракетно-космическая техника — изучение линейной алгебры помогает овладеть понятийным аппаратом и инструментарием, необходимыми для решения прикладных задач в этих областях.
• Энергетика — линейная алгебра необходима для моделирования и решения сложных задач в энергетике, например, для проектирования, установки и оптимизации систем солнечной, ветровой, геотермальной и гидроэнергетики.

Полученные знания применяются при решении профессионально-ориентированных вопросов — построении математических моделей, которые представляют собой системы линейных уравнений. Кроме того, алгебра помогает понимать работу алгоритмов машинного обучения.

Физика

Курс объясняет законы природы и взаимодействия между материей и энергией. Физика лежит в основе многих технических дисциплин, предмет обязателен для большинства инженерных специальностей. Он охватывает такие темы:

• Физические основы механики — кинематику, динамику, элементы статики, законы сохранения в механике.
• Основы молекулярной физики и термодинамики — основные положения молекулярно-кинетической теории, газы, жидкости и твёрдые тела, изменение агрегатного состояния вещества.
• Электродинамику — электростатику, постоянный электрический ток, ток в разных средах (металлах, вакууме, газах).
• Оптику и квантовую физику — общие сведения о природе и свойствах света, волновую оптику, квантовые свойства света и строение атома, ядерную физику.

В программу включены практические и лабораторные занятия по всем разделам. Физику изучают на разных курсах, в зависимости от направления подготовки. Например, курс общей физики — база для дальнейшего обучения по узкоспециальному направлению. Реализуется в течение 5 семестров: 1-й — механика, 2-й — термодинамика и статистическая физика, 3-й — электричество и магнетизм, 4-й — оптика и введение в квантовую физику, 5-й — современная физика.

Изучение физики актуально для ряда инженерных направлений:

• Аэрокосмическая инженерия — создание летательных и космических аппаратов.
• Ядерная инженерия — проектирование и эксплуатация АЭС, разработка ядерных технологий.
• Робототехника — создание автоматизированных систем и роботов.
• Нанотехнологии — работа с материалами на молекулярном и атомном уровнях.
• Электроника и микроэлектроника — разработка электронных устройств и микросхем.
• Возобновляемая энергетика — проектирование солнечных, ветровых и других альтернативных источников энергии.

Изучение дисциплины необходимо будущим инженерам для понимания инженерных принципов и законов. Это основа для разработки эффективных и безопасных конструкций — инженер должен понимать физические законы, чтобы правильно их применять. Инженеры работают с техническими системами и устройствами, знание физики позволяет осознавать принципы их работы и эффективно управлять ими.

На инженерных специальностях углублённо изучают такие разделы физики, как механика и термодинамика.

Механика

Механика — научная дисциплина, которая исследует математические модели движения и взаимодействия материальных тел. Это научная основа всех областей техники. Курс «Механика» включает несколько разделов: теоретическую механику, теорию механизмов и машин, сопротивление материалов и детали машин. Цель дисциплины — научить студента решать инженерные задачи, например, выполнять проектные и проверочные расчёты, обеспечивать заданные требования к машиностроительной конструкции. На основе принципов теоретической механики решаются многие инженерные задачи, выполняется проектирование новых машин, конструкций и сооружений. 

Дисциплина может изучаться на 1 курсе университета — как, например, в Национальном исследовательском университете «Высшая школа экономики». В некоторых вузах она входит в базовую часть образовательной программы, например, по направлению «Физика».

Изучение механики помогает понять принципы работы механических систем, освоить методы расчёта кинематических и динамических параметров движения механизмов, изучить основы расчёта и конструирования деталей машин, узлов и соединений.

Термодинамика

Дисциплина изучает фундаментальные законы о превращениях энергии в ходе разных процессов. Студенты осваивают законы термодинамики, циклы, КПД тепловых двигателей и классификацию двигателей внутреннего сгорания. Термодинамика описывает, как тепловая энергия преобразуется в другие формы энергии и как влияет на материю. Знания применяются инженерами во многих сферах: производстве электроэнергии (турбины, двигатели), систем отопления дома, систем солнечной энергетики.

Дисциплина «Термодинамика» может изучаться на разных курсах, в зависимости от направления подготовки.

«Термодинамика» актуальна для широкого спектра инженерных специализаций, таких как:

• Машиностроение — формирует знания о теоретических основах машиностроительных производств.
• Промышленность — изучаются процессы, происходящие в отраслях промышленности, таких как химическая, пищевая и металлургическая с точки зрения термодинамики.
• Проектирование и эксплуатация атомных станций — изучение дисциплины формирует компетенции инженера-атомщика.

Изучение дисциплины необходимо, так как она помогает правильно формулировать и решать задачи с использованием основных законов термодинамики при расчёте двигателей, газотурбинных и паротурбинных установок, проектировании технологических процессов на производстве. Специалист должен уметь анализировать свойства веществ и предсказывать их поведение в меняющихся условиях с помощью закономерностей термодинамики. Это позволяет разрабатывать новые и совершенствовать существующие машины и установки, создавать более эффективные технологии.

Инженерная графика

Работа с чертежами — один из основных навыков инженера. Дисциплина «Инженерная графика» изучает способы изображения пространственных объектов на плоскости и конструирование графических моделей. Она включает элементы начертательной геометрии (теоретические основы построения чертежа) и технического черчения (составление чертежей изделий). Что должен знать инженер:

• Геометрические построения на плоскости — например, выполнение разных видов сопряжений, построение касательных, деление отрезков и окружностей на равные части.
• Построение изображений — студенты изучают правила изображения пространственных форм на чертеже (виды, разрезы, сечения).
• Деталирование — совершенствуют знания и навыки в чтении чертежей, закрепляют знания по выполнению чертежей деталей.
• Составление сборочного чертежа — закрепляют знания и навыки чтения чертежей, знакомятся с содержанием сборочного чертежа, требованиям и правилами составления.

Дисциплину «Инженерная графика» изучают на разных курсах, в зависимости от направления подготовки. 

Инженерная графика актуальна для областей инженерии, где она используется для создания и передачи технической информации. Например:

• Машиностроение — позволяет создавать чертежи деталей и сборочных единиц, а также спецификации для производства.
• Авиационная и космическая промышленность — используется для проектирования и разработки самолётов, спутников и других воздушно-космических систем.
• Архитектура и строительство — это неотъемлемая часть проектирования зданий и сооружений. Инженерная графика позволяет создавать чертежи планов, фасадов и разрезов, а также моделировать пространственные структуры.
• Электроника и электротехника — используется для разработки электрических схем и печатных плат, помогает инженерам визуализировать электрические соединения и расположение компонентов на плате.

Изучать дисциплину «Инженерная графика» необходимо, чтобы получить знания и навыки для выполнения и чтения технических чертежей, эскизов деталей, конструкторской и технической документации на производстве.

Материаловедение

Материаловедение — один из основных предметов программы для инженеров. Студенты изучают состав материалов, из которых производятся разнообразные конструкции, их структуру и свойства, применение в конкретных условиях производства. Материаловедение изучают на 2 курсе как общетехническую дисциплину. Программа охватывает все разновидности материалов: металлы, сплавы, полимеры, стекло, керамику и т. д. Дисциплина актуальна для инженерных специализаций, например:

• Машиностроение — производство деталей и узлов из всевозможных материалов.
• Металлургия — разработка новых сплавов и усовершенствование существующих.
• Лёгкая промышленность — создание текстильных и полимерных материалов.
• Энергетика — производство высокотемпературных и устойчивых к нагрузкам материалов.

Дисциплина важна для научных исследований. Разработка новых материалов применяется в микроэлектронике, авиакосмической отрасли и создании медицинского оборудования, а оптимизация существующих — в улучшении их эксплуатационных характеристик.

Освоение материаловедения даёт будущим инженерам практические навыки, необходимые для проектирования, создания и улучшения изделий. Этот курс учит анализировать свойства материалов, прогнозировать их поведение в разных условиях и на этой основе грамотно выбирать материал для каждой детали, обеспечивая её надёжность и долговечность. Знания позволяют управлять качеством продукции, а также понимать, как изменять структуру материала для получения нужных свойств. Таким образом, дисциплина готовит специалистов, способных обоснованно выбирать, улучшать и разрабатывать материалы под конкретные задачи — в машиностроении, энергетике или любой другой отрасли.

Технические дисциплины

В зависимости от специальности это могут быть электротехника, строительные конструкции, гидравлика, термодинамика, механика и другие направления.

Электротехника

В рамках дисциплины исследуют теоретические основы электротехники и электроники, принципы действия, параметры и характеристики устройств. Студенты изучают электрические цепи, трансформаторы, электрические машины постоянного и переменного тока. Подробно рассматриваются элементы промышленной электроники и электронные цифровые измерительные приборы. Дисциплину могут преподавать на разных курсах в зависимости от учебного плана вуза, например, на втором или третьем.

Дисциплина актуальна для инженерных специальностей, связанных с электротехникой, таких как:

• Электроэнергетика и электротехника — студенты изучают проектирование и эксплуатацию электрооборудования, станций и электрических систем, защиту и автоматику энергосистем, интеллектуальное электрооборудование, автоматизацию зданий и сооружений.
• Машиностроение — дисциплина может быть частью программы подготовки бакалавров, например, по направлению «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».
• Информационные системы и технологии — дисциплина «Электротехника и электроника» становится базой для изучения электронных приборов и узлов ЭВМ, устройств передачи и обработки сигналов.

Курс даёт базовые знания в области электротехники, необходимые для понимания сложных явлений и законов, получения навыков расчёта электрических цепей и выполнения измерений электрических параметров. Электротехника помогает освоить нормативную документацию по использованию электротехнических приборов и электронных устройств, применяемых на производстве.

Строительные конструкции

Дисциплина изучает основы конструирования и расчёта строительных конструкций. Цель — сформировать теоретические знания и практические навыки в области конструирования несущих железобетонных элементов, металлических и деревянных конструкций. Дисциплина может изучаться на 3 курсе основной программы высшего профессионального образования, например, по направлению «Строительство».

Предмет «Строительные конструкции» актуален для инженерных специализаций, связанных с проектированием и строительством. Например:

• Инженер по энергетике и возобновляемым источникам энергии — проектирует и эксплуатирует энергоэффективные системы.
• Инженер-строитель — занимается проектированием, возведением и реконструкцией зданий, сооружений, дорог и мостов.
• Инженер по нефтегазовому делу — дисциплина актуальна для освоения принципов проектирования строительных конструкций зданий и сооружений, используемых для транспорта, хранения нефти и газа.

Курс помогает проектировать технически и экономически обоснованные строительные конструкции, отвечающие требованиям прочности и долговечности.

Гидравлика

Гидравлика — прикладная наука, которая изучает законы движения и равновесия жидкостей, а также способы их применения к решению задач инженерной практики. Некоторые темы практической гидравлики:

• гидравлика трубопроводов — изучает движение жидкостей и газов по трубам;
• гидравлика открытых русел (динамика русловых потоков) — фокусируется на течении воды в каналах и реках;
• гидравлическая теория фильтрации — это методы расчёта дебита и скорости течения воды в разных условиях безнапорного и напорного потоков.

Дисциплина может изучать принцип действия и назначение гидравлических машин, методики расчёта насосных установок. В некоторых учебных планах она включена в обязательную часть основной профессиональной образовательной программы, в других — в вариативную.

Гидравлика актуальна для множества инженерных специализаций, например:

• Строительство — знание законов гидравлики необходимо для решения задач в области расчёта трубопроводов разного назначения, расчёта каналов, водосбросных и других гидротехнических сооружений.
• Машиностроение — законы гидравлики используют при проектировании гидросистем автомобилей, сельскохозяйственной и другой техники (тормозные и рулевые механизмы, сцепление, дистанционные приводы).
• Нефтегазовая отрасль — гидравлика применяется при геологической разведке и структурно-поисковом бурении на наличие нефти и газа, при добыче для извлечения нефти из скважины, при перекачивании воды и высоковязкой нефти по трубопроводам.
• Строительство гидроэлектростанций, шлюзов, портовых сооружений — знания в области гидравлики необходимы для расчёта параметров этих объектов.

Изучение дисциплины обязательно для получения навыков, необходимых при разработке, обслуживании и использовании техники, в которой применяются гидравлические устройства и системы.

Информационные технологии

В своей работе инженеры активно используют программное обеспечение и автоматизированные системы управления. Студенты профильных специальностей изучают основы программирования, работу с CAD-системами и методы автоматизации процессов.

Основы программирования

Основы программирования изучают студенты всех направлений инженерной подготовки в вузе: программисты, технологи и конструкторы. Дисциплина нужна, чтобы научить будущих экспертов использовать компьютерную технику для решения инженерных и научно-исследовательских задач, писать программы на языках высокого уровня, например, С++. Студенты учатся создавать специализированное программное обеспечение для решения сложных задач. Вот примеры использования программирования в разных сферах науки и техники:

• Биотехнология — изучение биологических данных с помощью информационных технологий. Учёные представляют последовательности генов и белков в виде строк программного кода.
• Машиностроение — создание программ для станков с числовым программным управлением (ЧПУ).
• Сфера айти — основы программирования представляют собой базу для изучения других специализированных дисциплин.

Основы программирования изучают на разных курсах вуза, в зависимости от программы обучения. Будущие инженеры должны понимать принципы работы современных информационных технологий, уметь устанавливать и разрабатывать программы.

Системы автоматизированного проектирования 

CAD (Computer aided design) — инженерное программное обеспечение для проектирования и конструирования зданий, механизмов и т. д. С помощью CAD-систем инженеры создают чертежи и 3D-модели, проводят расчёты прочности, нагрузки и других параметров, готовят файлы для производства. В вузе студенты учатся основам создания чертежей, практикуются в черчении объектов. CAD актуален для всех инженерных специализаций. Примеры использования этого ПО в работе инженеров разных направлений:

• Машиностроение — автоматизированные системы проектирования применяются для разработки новых моделей автомобилей.
• Авиакосмическая промышленность — с помощью CAD-технологии инженеры создают сложные системы и комплексы.
• Архитектура и строительство — специалисты получают точные планы зданий и сооружений, визуализируют проекты.

CAD изучают на первом, втором или четвёртом курсе университета, в зависимости от направления подготовки, в рамках разных дисциплин. Это могут быть инженерная и компьютерная графика, системы автоматизированного проектирования, основы CAD-, CAM-, CAE-, CAPP-систем.

Прикладной искуссвенный интеллект 

Это практический курс о применений технологий ИИ. Студенты используют преимущества машинного обучения и нейросетей для решения конкретных задач, например, для распознавания медицинских снимков или управления беспилотными аппаратами. Основные темы, которые проходят в вузе:

• Машинное обучение.
• Обработка естественного языка (NLP).
• Компьютерное зрение.
• Программирование на Python.

Дисциплина актуальна для таких направлений бакалавриата, как «Прикладная информатика», «Информатика и вычислительная техника», «Прикладная математика, программирование и искусственный интеллект».

Прикладной искусственный интеллект изучают на 3 курсе. В некоторых вузах программа реализуется в проектном формате с привлечением предприятий-партнёров в роли заказчиков и экспертов.