Интегрированные компьютерные технологии в профессионально-технологическом образовании

УДК 744

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОФЕССИОНАЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОБРАЗОВАНИИ

A.M. Воронин, В.А. Селезнев, A.C. Чайкин

В статье изложены некоторые проблемные вопросы при традиционных методах изучения технических дисциплин. Приведены пути повышения эффективности образовательного процесса на базе компьютерных технологий. Обосновано применение интегрированных конструкторско-технологических систем, описан новый подход к графогеометрической подготовке студентов.

Ключевые слова: психолого-педагогические аспекты обучения, компьютерные технологии, интегрированные конструкторско-технологические системы, объемные компьютерные модели

Переход к рынку труда предъявляет к выпускникам учебных заведений профессионального образования более высокие требования в отношении их профессиональной пригодности. Возникла серьезная проблема соответствия отечественного профессионального образования требованиям международного уровня. На кафедре «Теория и методика профессионально-технологического образования» (ТиМПТО) БГУ им. акад. И.Г. Петровского ведется технологическая подготовка будущих специалистов (мастеров производственного обучения и преподавателей специальных дисциплин) для учреждений профессионального образования. Современный учебный материал по циклу дисциплин специализации информационно насыщен рисунками, схемами, таблицами, прикладными компьютерными программами для расчетов и автоматизированного проектирования технических объектов, что достаточно сложно для восприятия в условиях ограниченности количества учебных часов и постоянно нарастающих объемов информации.

Традиционные технологии обучения техническим дисциплинам не только не вызывают интереса у студентов, но, как показало анкетирование, даже снижают мотивацию выпускников школ учиться в вузах технической направленности. Одна из причин этого объективного процесса - большая трудность овладения техническими дисциплинами по сравнению с гуманитарными. Есть ли в сфере образования альтернатива для преодоления этого фактора. Есть! - показывает опыт работы, нужно только в корне изменить технологию восприятия учебной технической информации в процессе подготовки студентов. Оптимальным способом реализации этой задачи является применение компьютерных технологий.

Сложившиеся традиционные системы обучения, использующие в большей части аудиальный и частично визуальный каналы восприятия информации, направлены на функционирование левого (логического) полушария мозга учащихся. В то же время возможности деятельности правого (образного) полушария мозга используются крайне неэффективно. Современные компьютерные технологии дают возможность применить принцип обучения техническим дисциплинам на основе целостной системы виртуальных образов (3 D-моделей), создание которых с помощью CAD/CAM/CAE/PDM-систем позволяет осуществлять сквозную подготовку большинства технических дисциплин [1].

Анализ информации позволяет увидеть в целостной системе виртуальных образов еще одну важную и весьма интересную деталь обучения, которая состоит в оптимальном поэтапном включении правого и левого полушарий мозга в ходе восприятия образной и логической информации. Вначале изображается целостный объемный объект, причем в цвете, уже на первом этапе - целостном одновременном восприятии объекта, реализуется основной принцип гештальтпсихологии, заключающийся в целостном бессознательном «схватывании» объекта. Именно с этого этапа, т.е. с восприятия трехмерного виртуального учебного объекта в целостной системе виртуальных образов, в психической системе студентов стимулируются вклады факторов творчества, особенно вдохновение, воображение и спонтанность, чувства красоты и новизны, положительные эмоции - тот же целостный охват ситуации.

На этом первом этапе при восприятии информационного объекта у студента сразу включается в деятельность правое (образное) полушарие мозга, одновременное восприятие информации происходит благодаря работе двух юнговских психических функций: чувства и ощущения. Вклад этих функций весомее, чем вместе взятых мышления и интуиции. Союз указанных функций обеспечивает быструю ассимиляцию сознанием образной информации. Здесь же необходимо отметить большую роль цветовой палитры виртуальных образов. Целенаправленными действиями конструктора системы (3D-моделей) в

сознании синтезируется очаг информационно-смысловых и образно-цветовых смысловых структур. Не исключено, что синтез информационно-смысловых и образно-цветовых смысловых структур бессознателен и, по-видимому, инстинктивен.

На последующих этапах обучения происходит постепенная логическая детализация изучаемого объекта. Это уже - функция левого полушария мозга и логического мышления. Совместные действия правого и левого полушарий стимулирует мозг студента быстрее усваивать информацию и получать удовольствие от самого творческого процесса, что и испытывают художники, писатели, поэты, музыканты и ученые. Потенциал виртуальных образных технологий в обучении безграничен, особенно при изучении технических специальностей [2]. В качестве примера реализации этой схемы можно привести порядок разработки чертежа при графогеометрической подготовке с использованием компьютерных технологий - вначале происходит построение компьютерной объемной модели (рис.1), затем ЗБ-модель редактируется разработчиком и на её основе создаются чертежные виды, являющиеся традиционной конструкторской документаций. Несмотря на неоспоримые преимущества процесса получения знаний в изложенной технологии, есть еще одно, и может быть - наивысшее достоинство целостной системы виртуальных образов в области преподавания инженерных дисциплин - в творческом процессе всё решают вклады психических факторов творчества.

Несомненно, эти факторы дают интенсивный стимул к дальнейшему развитию при условии использования трехмерной визуализации. И с каждой выполненной работой, использующей ЗБ-модели, у студента рождаются привычка и стремление войти в виртуальную область, где чувствуется высокий уровень вкладов спонтанности, воображения, вдохновения, чувства красоты и т.д. А это и есть сложнейший процесс психосинтеза гуманистически ориентированной личности, формирование которой совершенно недоступно традиционным системам обучения. Эти теоретические предпосылки реализуются в учебном процессе при обучении технологическим дисциплинам студентов специальностей «Технология и предпринимательство» и «Профессиональное обучение».

Рис.1 От объемной модели к чертежу

Один из ключевых моментов реализации компьютерных технологий в учебном процессе -подбор соответствующих программных продуктов. Для любой компьютерной программы, в т.ч. и учебной, одно из важнейших требований - функциональность, т.е. решение необходимых учебных задач в едином программном пространстве. Для специалистов, которым не требуется после моделирования и конструкторской проработки технологическое проектирование, можно ограничится любым доступным графическим редактором - AutoCAD, АСКОН (КОМПАС -3D), 3D Studio MAX и др. Из перечисленных программ наиболее распространены в учебных заведениях различные версии КОМПАС -3D, с помощью которых можно выполнять плоское 2D и объемное 3D моделирование, разработку конструкторской документации. Для работы в учебном заведении

поставляется лицензионная «университетская» версия этой программы, а для работы студентам на домашнем компьютере пользователь может приобрести один из самоучителей, к которому прилагается демо-версия этого программного продукта, позволяющая, с рядом ограничений, изучать порядок работы с программой самостоятельно.

Рис.2 ЭБ-модель детали и её разрез, выполненные с помощью программы КОМПАС -ЗО

Для специалистов, подготовка которых проводится на кафедре ТиМПТО БГУ, конечная цель проектирования - технологический процесс механической обработки детали. При работе над ним разрабатывается чертеж детали, определяется технологический маршрут обработки, подбирается необходимое металлообрабатывающее оборудование, приспособления, режущий инструмент; производится расчет режимов обработки и норм времени, разрабатывается управляющая программа для станков с программным управлением, оформляется конструкторская и технологическая документация. Для решения этой многофакторной технологической задачи применение только графического редактора, конечной целью работы в котором является конструкторская документация, явно недостаточно. В этом случае оптимальным решением будет применение интегрированных конструкторско-технологических систем типа САО/САМ/САБ/РОМ, позволяющим решать все перечисленные выше задачи в едином программном пространстве. Одной из таких систем является отечественная разработка группы компаний АОБМ [3]. Эта программа имеет несколько различных по уровню сложности версий - суперлегкая, учебная и производственная, что позволяет весь учебный процесс разбить на модули и разнести их по разным учебным дисциплинам, соединив между собой межпредметными связями.

Например, в рамках учебной дисциплины «Информатика», с которого начинается изучение компьютерных технологий на младших курсах, изучается назначение системы, её интерфейс, управление файлами, техническое рисование плоских и объемных объектов, управление изображениями. В процессе подготовки по предмету «Графика», на базе уже полученных ранее знаний, рассматриваются вопросы присущие инженерной графике - настройка параметров конструкторской документации (формат, единицы измерения, стандарт, заполнение основной надписи), обеспечение точных перемещений при построениях, оформление чертежа (штриховка, размеры, шероховатость, отклонения формы, технические требования). Разработка чертежей деталей выполняется по схеме: шаблон - ЗО-модель - редактирование модели -получение чертежных видов с объемной модели - оформление чертежа. Эти особенности проектирования требуют нового подхода к изучению основ инженерной графики - акцентируется внимание на содержательной стороне разрабатываемого проекта (точности, шероховатости, параметрам отклонениям формы, размерным цепям, техническим требованиям и т.п.), а не созданию формы, т.к. эта рутинная сторона проектирования реализуется системой. Этот этап освоения программы выполняется на простейшее её версии АОБМ 7.0 811, в ней отсутствует необходимость большого количества специальных знаний, а количество панелей и задач сокращено до разумного минимума. Следует отметить, что это единственная доступная по цене и распространенности программа, как для учебных заведений, так и для простых пользователей. Программа объединяет в едином конструкторском пространстве все известные методы геометрического проектирования: плоское двумерное моделирование, черчение и оформление конструкторской документации, твердотельное и поверхностное моделирование.

Так как для уверенной работы в программе нужно освоить более 100 команд, для повышения эффективности обучения при проведении занятий применяются педагогические технологии,

основанные на психолого-педагогическом подходе с учетом возможностей механизма памяти человека. Методические разработки для проведения занятий на ПК предполагают дозировку разовой информации подаваемой в одном фрагменте (5-9 команд из интерфейса программы) удерживаемом кратковременной памятью. Для того чтобы информация перешла в долговременную память, её нужно повторить несколько раз, например, выполняя практические задания по материалу изученного фрагмента. Изложение нового материала, требующее концентрации внимания на объекте изучения, вызывает быстрое утомление.

Примерно через 20 минут мозг перестает воспринимать информацию и этот фактор необходимо учитывать при планирования проведения занятия. Т.е. ход занятия должен быть цикличным - новый материал (15-20 мин, 5 - 9 объектов объединенных по смыслу), закрепление материала выполнением практических заданий на ПК, затем цикл повторяется. Еще одна особенность практики освоения программных продуктов - завершенность выполняемого проектирования в рамках одного занятия. Сложность выполняемого задания должна подбираться соответствующим образом и быть ориентированной на средние возможности группы обучаемых. В силу того, что скорость восприятия у студентов различная, для организации самостоятельной работы по изучению и закреплению учебного материала разрабатываются рабочие тетради, где приводятся необходимые теоретические данные, задания для практического проектирования и пошаговый порядок работы в программе.

Весьма эффективен, особенно для будущих специалистов, деятельность которых будет связана с преподаванием, метод «ролевого тренинга», сущность которого заключается в поочередном, ступенчатом выполнении роли соответственно - наблюдателя, разработчика и инструктора при проектировании.

При изучении специальных дисциплин технологического цикла - «Информационные технологии в машиностроении», «САПР», «Программирование для станков с ЧПУ» для выполнения конструкторско-технологического проектирования используется учебная версия АОЕМ 8.0 С АО/САМ/САРР. По уже ранее описанной схеме разрабатывается математическая модель изделия и конструкторская документация, определяется технологический маршрут механической обработки. Из баз данных программы, в диалоговом режиме, выбирается станочное оборудование, конструкции режущего инструмента и приспособления, причем на экране отображаются не только наименование и технические характеристики объектов, но и их изображение, что облегчает выбор и способствует закрепления полученных теоретических знаний. Такой подход к этому этапу проектирования предопределяет специфику подготовки по специальным предметам, акцент делается на энциклопедичность изучаемого материала, ведь студенту, прежде всего, необходимо иметь представление о назначении большого количества станков, инструментов, приспособлений, а уж потом как они устроены и как работают. Программа на основе исходных данных выполняет расчет режимов обработки и норм времени, производит оформление технологической документации в соответствии с действующими ГОСТами. На основе математической модели изделия в режиме диалога выполняется разработка управляющей программы для оборудования с программным управлением, правильность выполненных разработок проверяется технологическим моделированием, когда на экране воспроизводится процесс обработки детали и траектории перемещения инструмента. Это позволяет уже на стадии проектирования гарантировать качество выполняемых в последующем работ по изготовлению изделия на станке.

Применение компьютерных интегрированных конструкторско-технологических систем позволяет смоделировать весь комплекс работ по подготовке производства и изготовления изделия на предприятии в условиях учебного заведения (рис. 3). Студент, разрабатывая модель и чертеж изделия, выполняет обязанности конструктора в КБ, производя разработку технологического маршрута, выполняет обязанности технолога, разрабатывая управляющую программу, выступает как программист, а, реализуя выполненную работу на станке в мастерских, выполняет обязанности наладчика и оператора, замыкает консгрукторско-технологическую цепочку.

Основной задачей преподавательского коллектива кафедры ТиМПТО является создание широко развернутой виртуальной образовательной среды технологического направления с элементами программированного обучения. В том числе электронными версиями теоретического материала, анимационными роликами, иллюстрирующими различные виды обработки, приемы наладки и эксплуатации технологического оборудования, ЗО моделями режущего инструмента, приспособлений, станочного и вспомогательного оборудования, методическими указаниями и заданиями для практических занятий, тестами для контроля знаний и др.

Рис. 3 Сквозной образовательный процесс моделирующий работу предприятия

Особая роль отводится перспективным технологиям обучения техническим дисциплинам с помощью компьютерных тренажеров поведенческого типа. Эти программные разработки отражают ситуации близкие производственным и включают освоение способов обработки информации, а также все этапы профессиональной деятельности по их решению, что особенно важно при использовании дорогостоящего и сложного оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ).

Применение компьютерной техники и разработанный на кафедре комплекс методических материалов в процессе самостоятельной работы студентов помогает систематизировать этот процесс и делает его более эффективным. Анализ эффективности полученных результатов позволяет констатировать, что применение электронных средств обучения увеличило запоминаемость учебного материала на 30 - 40%, а объем усваиваемой информации - примерно на 50%.

The article outlines the main shortcomings of traditional methods for studying technical subjects. We present ways to improve the educational process on the basis of computer technologies. Is justified application of integrated design and technological systems, we describe a new approach to preparing students grafogeometric. The key words: psychology-pedagogical aspects of training, Computer Technologies, Computer-Aided Design and Manufacturing, 3D models of Computer

Список литературы

1. Юрин B.H. Компьютерный инжиниринг и инженерное образование. М.: Эдиториал УРСС, 2002. 152 с.

2. Воронин A.M., Селезнев В.А., Чайкин А.С. Разработка научного подхода организации и методики малозатратной подготовки студентов и специалистов для автоматизированного производства на основе компьютерного моделирования для учреждений профессионального образования. Монография. Брянск: Группа компаний «Десяточка», 2009.127 с.

3. В.А. Селезнев, А.С. Чайкин. Инженерная компьютерная графика в системе профессионального технологического образования. Монография. Брянск: Издательство «Курсив», 2009.156 с.