Преподавание графических дисциплин с учетом возможностей современных компьютерных технологий

МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №4 (111) 2012

*

МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ

УДК 378 146 : 004 Ф. Н. ПРИТЫКИН

Омский государственный технический университет

ПРЕПОДАВАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ ДИСЦИПЛИН С УЧЕТОМ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОВРЕМЕННЫХ

КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В статье рассматривается методика преподавания дисциплины инженерной и компьютерной графики с учетом использования современных компьютерных технологий. Приведено обоснование изменения учебного плана изучения указанной дисциплины с учетом возрастающей роли компьютерного 3D моделирования. Ключевые слова: инженерная и компьютерная графика, 3D компьютерное моделирование, учебный процесс.

Основным направлением модернизации промышленности и строительства является комплексная информатизация, от которой зависят сроки и качество проектирования изделий, и производительность труда конструкторов и проектировщиков. Поэтому важным требованием к геометрической и графической подготовке бакалавров является полная информатизация, переход к электронному документообороту благодаря внедрению современных средств компьютерной графики. Непрерывное совершенствование систем САПР позволяет выполнять в автоматизированном режиме все большее

количество инженерных задач, связанных с проектированием изделий различного назначения на основе их компьютерных трехмерных моделей. При этом существенно изменяются сами системы САПР, которые дополняются новыми командами, функциями и модулями. Это позволяет создавать не только двумерные и трехмерные графические объекты, но осуществлять инженерные расчеты на прочность, теплопроводность и технологическую подготовку, связанную с изготовлением деталей с использованием оборудования с ЧПУ и др. При этом сокращается время этапов проектирования, связанных с выпол-

нением однообразной и рутинной работы. Все это указывает на необходимость изменения методики преподавания и содержания учебных планов графических дисциплин.

Главной целью традиционной «ручной» графической подготовки было развитие пространственного мышления на базе методов начертательной геометрии и овладение технологией черчения с помощью обычного чертежного инструмента. Современная графическая подготовка основана на использовании 3D технологий, которые значительно повышают производительность и качество моделирования [1]. Задача технических вузов в области компьютерной геометрической подготовки на первом и втором курсах состоит в овладении фундаментальных основ геометрического моделирования, а также изучение прикладных инструментальных средств информационных графических технологий [1, 2]. Такие технологии позволяют освоить больший объем знаний и умений за значительно меньшее время и повысить качество результатов учебной работы.

При составлении учебных планов графических дисциплин необходимо учитывать содержание тестовых материалов при проведении федерального интернет-экзамена. В данных тестах, например, по дисциплине «Инженерная и компьютерная графика» присутствуют разделы таких дисциплин, как «Начертательная геометрия», «Инженерная графика» и «Компьютерная графика». Необходимо также учитывать объем учебных аудиторных часов, выделяемых на изучение дисциплины. В настоящее время для большинства направлений подготовки бакалавров радиотехнического факультета данный объем учебных часов составляет 32 и 36 часов соответственно в первом и во втором семестрах. Если изучать последовательно и отдельно вначале элементы начертательной геометрии, затем инженерной графики и на завершающем этапе способы выполнения чертежей с использованием средств компьютерной графики, то выделенных учебных часов, как правило, недостаточно для усвоения указанных разделов. Это связано с тем, что традиционное выполнение чертежей на бумаге с использованием чертежного инструмента требует больших затрат времени на выполнение графических работ. Объясняется это тем, что бакалавры не используют начиная с первых занятий средства компьютерной графики. В то же время необходимо учитывать: ничто так не помогает развивать пространственное воображение, умение выполнять, читать и оформлять чертеж, как ручное черчение. Поэтому необходимо также незначительный объем графических работ выполнять в виде эскизов на миллиметровке по заданным наглядным моделям. Другим недостатком отдельного изучения разделов начертательной геометрии, инженерной графики и компьютерной графики является то, что студенты не видят использования методов начертательной геометрии при решении практических задач, связанных с отображением изделий конкретной области инженерной деятельности на чертеже.

Из всего выше изложенного можно заключить, что необходимо на начальном этапе изучения графических дисциплин приступать к выполнению заданий по темам инженерной графики с использованием методов начертательной геометрии и современных средств графических компьютерных систем. При этом первый и последующие чертежи необходимо выполнять с использованием компьютера. Благодаря этому экономится время, связанное с созданием изображений рамки и основной надпи-

си чертежа, изображений различных графических объектов с различными типами линий и другое.

Учитывая современные возможности систем САПР, существует необходимость пересмотра традиционной последовательности изучаемых тем дисциплины «Инженерная и компьютерная графика». Известно, что при традиционном изучении вначале изучаются способы отображения геометрических объектов на комплексном чертеже, затем изучаются позиционные и метрические задачи и, как правило, на конечном этапе обучения изучаются аксонометрические проекции (наглядные трехмерные модели). Затем изучаются разделы инженерной и компьютерной графики. При таком подходе не показывается на начальных этапах обучения роль трехмерного компьютерного моделирования. Необходимо на ранних этапах обучения использовать трехмерное компьютерное моделирование при выполнении индивидуальных заданий. Если же одновременно изучать разделы начертательной геометрии, инженерной и компьютерной графики, то существует возможность показать взаимосвязь различных тем указанных разделов при получении изображений чертежей технических изделий. Нужно также решить задачу последовательного изучения команд графического редактора чертежей, используемой системы САПР, с последовательностью выполняемых графических работ бакалаврами. Для определенной графической работы дисциплины «Инженерной и компьютерной графики» необходимо подобрать разделы дисциплин начертательной геометрии и компьютерной графики, относящиеся к теме выполняемого чертежа. При выполнении графических работ возможно использование в качестве инструмента любой системы САПР (например, КОМПАС, ACAD, Solid-Works, T-fleх и др.). По нашему мнению, наиболее простой в использовании при выполнении учебных чертежей является система КОМПАС. Это объясняется наличием простого интерфейса программы. Заметим, что, освоив одну программу, бакалавры легко осваивают любую другую. Последовательность тем графических работ и их взаимосвязь с темами разделов начертательной геометрии, инженерной графики и компьютерной графики, изучаемых на лекционных и лабораторных занятиях, представлена в табл. 1.

Спецификой графической подготовки является необходимость проверки огромного количества задач, решаемых студентами. Изучение графических дисциплин, в основе которого положено использование компьютера, ставит задачу, которая связана с пересмотром форм организации контроля знаний. Известно множество разработок, посвященных тестирующим программам, которые осуществляют контроль знаний студентов по графическим дисциплинам «Начертательная геометрия» и «Инженерная графика». Принцип большинства существующих тестирующих программ в настоящее время основан в основном на том, что на поставленные вопросы студент должен выбирать предлагаемые варианты ответов, которые предлагаются в виде текстов или рисунков. Недостатками известных тестирующих систем является:

— отсутствие общего инструмента при выполнении индивидуальных заданий (лабораторных работ) на занятиях по дисциплине «Инженерная и компьютерная графика» и контроле усвоения знаний студентами;

— нет возможности проводить оценку полных и не совсем полных решений задач студентами;

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №4 (111) 2012 МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ

МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №4 (111) 2012

Чі

Таблица 1

Взаимосвязь разделов начертательной геометрии, инженерной графики и компьютерной графики при выполнении индивидуальных заданий дисциплины «Инженерная и компьютерная графика»

Названия графических индивидуальных заданий Разделы начертательной геометрии Разделы инженерной графики Разделы компьютерной графики

2 4 5

1-й семестр

Тема 1. Правила оформления чертежей. Задание 1. Очертание технических форм (чертеж). 8 часов. Параметрическая оценка графических объектов плоскости и пространства. Соотношения, возникающие между геометрическими объектами (параллельность, перпендикулярность и др.). Правила оформления чертежей (форматы, масштабы, линии чертежа, шрифты). Построение сопряжений. Задание размеров формата, заполнение основной надписи, построение примитивов с различными типами линий. Построение скруглений. Объектная привязка.

Тема 2. Получение наглядных изображений предметов в аксонометрических проекциях. Задание 2. Аксонометрия (чертеж). 8 часов. Центральное и параллельное проецирование. Свойства проецирования. Аксонометрические проекции. Стандартные аксонометрические проекции. Прямоугольная и косоугольная изометрия и диметрия. Получение изображений овалов. Получение наглядных изображений на основе использования команд 3Э моделирования. Операции объединения, вычитания и др.

Тема 3. Отображение объектов пространства на плоскости чертежа. Задание 3. Построение видов (чертеж). Задание 4. Построение видов (эскиз по моделям). 8 часов. Изображение геометрических объектов на комплексном чертеже. Классификация прямых и плоскостей. Способы преобразования комплексного чертежа. Основные, дополнительные и местные виды. Нанесение размеров на чертеже. Получение изображений ассоциативных видов на основе трехмерных компьютерных моделей.

Тема 4. Получение изображений разрезов и сечений деталей. Задание 5. Разрезы простые и сложные (чертеж). Задание 6. Сечения (эскиз по моделям). 8 часов. Пересечения прямой с плоскостью и поверхностью. Пересечения поверхности плоскостью. Разрезы простые и сложные. Типы штриховок. Совмещение изображений видов и разрезов. Получение изображений разрезов и сечений на основе трехмерных компьютерных моделей.

2-й семестр

Тема 5. Резьбовые соединения деталей. Задание 7. Соединения резьбовые (эскиз по моделям). 8 часов. Винтовые поверхности. Прямой и наклонный геликоид. Разъемные соединения. Стандартные резьбы. Изображения и обозначения стандартных резьб. Получение изображений глухих и сквозных отверстий с резьбой.

Тема 6. Соединения деталей с использованием стандартных крепежных изделий. Задание 8. Соединения болтом, шпилькой и винтом (чертеж). 8 часов. Конические сечения. Изображения гипербол располагающихся на гайке и головке болта. Виды изделий. Виды конструкторских документов. Стандартные крепёжные изделия. Требования, предъявляемые к сборочным чертежам. Спецификация. Использование менеджера библиотек при получении однотипных изображений. Получение изображений номеров позиций. Выполнение документа спецификации.

Тема 7. Соединения неразъемные. Задание 9. Соединения пайкой (чертеж). 8 часов. — Соединения сваркой, пайкой, клейкой и сшиванием. Обозначения сварных и паянных швов. Обозначение припоев. Реализация команд, позволяющих получать изображения обозначений пайки и сварки.

Тема 8. Изображения схем. Задание 10. Схемы электрические принципиальные (чертеж). 2 часа. — Виды и типы схем. Требования, предъявляемые к изображениям схем электрических принципиальных. Таблица перечня элементов. Использование блоков и атрибутов при формировании однотипных изображений.

Тема 9. Пересечения поверхностей. Задание 7. Пересечение поверхностей (чертеж). 10 часов. Определение линии пересечения методом вспомогательных плоскостей уровня и методом концентрических сфер. — —

— нет возможности оценки последовательности выполнения графических построений, направленных на решение той или иной задачи;

— существуют элементы угадывания при выборе предлагаемых вариантов ответов в ходе контроля знаний;

— нет формирования в автоматическом режиме интеллектуальных комментариев к анализу решения задач, которые зависят от выполненных этапов графических построений в режиме самообучения.

Новые подходы в организации контроля знаний графических дисциплин с использованием средств

компьютерной графики открывают возможность автоматизированного формирования исходных данных задач, проверку и оценку их решения. На экран компьютера выводятся условия задачи в виде изображения геометрических объектов (точек, прямых, плоскостей и т.д.) [3]. Бакалавр, используя команды системы проверки графических построений, функционирующей на основе САПР ACAD, стрит необходимые изображения, которые система далее оценивает и определяет рейтинговый балл. При этом решаются все указанные выше недостатки систем тестирования. В целом рассмотренный

Рис. 1. Пример решения проверочной задачи пользователем в системе проверки графических построений

подход является новым направлением в разработке обучающих программ и тренажеров применительно к графическим дисциплинам. Усилия разработчика при этом тратятся на то, чтобы правильно оценивать основные этапы решения задачи студентом (а не на придумывание наряду с одним правильным ответом 3 — 4 ложных). В основу разработанных алгоритмов оценки графических построений положено использование функций AutoLISP, обеспечивающих доступ к построенным студентом примитивам и их обработки в соответствии с формулированной проверочной задачей. На рис. 1 представлен пример формирования исходных данных задачи и содержание графической зоны после проведения процедуры оценки задачи. Разработанная система позволяет в значительной степени решить указанные выше проблемы, связанные с контролем знаний и самообучением студентов по графическим дисциплинам.

Взаимосвязанное изучение тем разделов начертательной геометрии, инженерной и компьютерной графики позволяет бакалаврам оценивать их прикладное значение при получении изображений различных технических изделий. При этом общий инструмент, используемый при выполнении графических работ и проведении контроля знаний, позволяет наиболее эффективно использовать средства компьютерной графики при организации учебного процесса, связанного с изучением графических дисциплин.

Библиографический список

1. Сидорук, Р. М. Инновационная стратегия информатизации геометро-графической подготовки в техническом профессиональном образовании / Л. И. Райкин, О. А. Соснин, В. И. Якунин // Состояние проблемы и тенденции развития графической подготовки в высшей школе : сб. тр. Всеросс. совещания заведующих кафедрами графических дисциплин вузов РФ, 20 — 22 июня 2007 г., г. Челябинск. — Челябинск : Изд-во ЮУрГУ, 2007. - Т. 1 - С. 13-24.

2. Притыкин, Ф. Н. Об эффективности использования компьютерного 3Б моделирования при изучении графических дисциплин / Ф. Н. Притыкин // Омский научный вестник. — 2010. - № 5(91) - С. 198-201.

3. Притыкин, Ф. Н. Контролирующая и самообучающая система по дисциплине «Начертательная геометрия», функционирующая на основе пакета САПР АВТОКАД : учеб. пособие / Ф. Н. Притыкин, Е. Е. Шмуленкова. - Омск : ОмГТУ, 2009. -76 с.

ПРИТЫКИН Фёдор Николаевич, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Инженерная геометрия и САПР».

Адрес для переписки: e-mail: pritykin@mail.ru

Статья поступила в редакцию 23.04.2012 г.

© Ф. Н. Притыкин

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №4 (111) 2012 МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ