Оптимизация инженерно-графической подготовки студентов

Пузанкова А.Б.

Самарский государственный технический университет, ст.

преподаватель puzankova.emigo@yandex.ru

Оптимизация инженерно-графической подготовки

студентов

Современная информационная среда направленная на действие, допускает и позволяет целенаправленное развитие в ходе функционирования. Вследствие этого коммуникативный подход к информационной среде позволяет личности ориентироваться на свои конкретные потребности, запросы; расширяет её информационное поведение и в полной мере раскрывает возможности осуществления коммуникаций.

В этой связи становится обусловленным то, что именно через информационную среду происходит творческое развитие личности будущего специалиста при контакте, связи, обмене знаниями с иными субъектами творчества. Вот почему этот подход относится к наиболее оптимальным.

Уровень развития информационного взаимодействия и информационных коммуникаций позволяет характеризовать и информационную культуру социума. Основу последней, в том числе составляют и знания об информационной среде, и умения ориентироваться в информационных ресурсах (все чаще с помощью современных информационных технологий), а также навыки, способствующие увеличению информационного потенциала пользователя.

Современная тенденция к разработке и внедрению информационных технологий и ресурсов в инженерное образование привело к изменению структуры блока инженерно-графических дисциплин, в частности курс компьютерной графики стал неотъемлемой частью профессиональной инженерно-графической подготовки студентов.

Компьютерная графика являет собой совокупность методов и приемов, используемых для преобразования (при помощи компьютерных и информационных технологий) различных данных в графическое представление или наоборот. Иными словами, она есть технология ввода, вывода, отображения, преобразования, и редактирования различных графических объектов (моделей, чертежей) электронными средствами.

Компьютерная графика относится к сложным синтетическим ресурсам. Её появление и развитие явилось результатом слияния графики с современными инструментально-технологическими решениями, представляющими инженеру новые средства и возможности для реализации инновационных замыслов.

Занимающийся компьютерной графикой инженер-конструктор имеет в своем распоряжении совершенно иной набор средств и материалов, что является специфической чертой этого вида деятельности. В частности, в качестве средств и материалов здесь выступают не привычные чертежные принадлежности (карандаш, циркуль, линейки и т.п.), а программное обеспечение (графический редактор), устройства ввода (мышь), управление функциями (мышь, клавиатура) и отображение инновационного процесса (монитор).

Несмотря на то, что компьютер не может мыслить, фантазировать, в следствии чего и считается подсобно-вспомогательным средством, компьютерная графика может быть признана наиболее синтетичным и самостоятельным видом инженерно-графического творчества, поскольку обладает собственными оригинальными средствами информационной выразительности, с помощью которых трансформирует и преображает геометрические образы, созданные предшествующими традиционными видами инженерно-графической деятельности.

В конструкторской деятельности использование компьютерных технологий облегчает создание многочисленных вариантов эскизов, моделей будущего объекта. Здесь возможен выбор версий композиционного строения, материала, дизайна и т.д. После создания виртуальной модели будущий специалист может осуществить креативную деятельность уже у станка. Некоторые подготовительно-информационные материалы (например трудноизменяемые или вообще не изменяемые) при использовании компьютерной графики либо совсем исчезнут, либо станут представлять собой наверняка выверенные и действительно завершенные элементы работы.

В данной статье рассматриваются актуальные вопросы проектирования и использования в учебном процессе информационных ресурсов в сфере инженерно-графических дисциплин. Разрабатываемые автором информационно-педагогические технологии направлены на усовершенствование процесса преподавания курсов инженерной и компьютерной графики. Одной из составляющих проводимого исследования является современный информационный подход к изучению сегодняшнего состояния и перспектив развития информационных ресурсов инженерно-графической деятельности. Он определяется, во-первых, характером и спецификой деятельности в данной области, охватывающей разнообразные виды инженерно-графического творчества и порождаемые ими вариативные информационные потоки; во-вторых, внедрением в сферу инженерно-графической деятельности современных компьютерных и информационных технологий, влияющих как на креативный/инновативный, так и на производственный процессы.

На современном этапе развития системы автоматизированного проектирования (САПР) воспринимаются как особая среда проектирования, в связи с тем, что в начале 21-го века появились такие особенности и

тенденции информационных технологий как мультимедиа (объединяющей отдельные форматы данных) и цифровая связь.

Одной из главных тенденций развития САПР является трехмерное моделирование и визуализация. Именно таким пакетом и является изучаемая студентами 1-2 курсов СамГТУ система КОМПАС-3D. В системе САПР студенты учатся создавать электронные цифровые документы, в первую очередь чертежи и модели в интерактивном режиме. Электронные документы сохраняются в цифровом виде в виде файлов, которые могут быть очень легко переданы современными средствами телекоммуникаций, в том числе и по сети Интернет. Чертеж - язык общения инженеров. Современные САПР говорят на языке техники. Сегодня - это язык начертательной геометрии и инженерной графики. Новым является создание математической модели, в первую очередь геометрической. Это требует хорошего владения координатным методом, т.е. методами аналитической геометрии, и развитого пространственного мышления.

Инженерная мысль - чем дальше, тем больше - нуждается в инструментах, которые бы соответствовали уровню решаемых проблем. Цифровая конструкторская документация, по сравнению с традиционно создаваемой на бумаге, обладает следующими преимуществами:

1. Повышение производительности труда. В САПР повторяющиеся операции можно выполнить одной командой, симметричные части можно начертить в определенной области чертежа, а затем для копирования использовать операции симметрии, проще осуществляется исправление (редактирование чертежа) - при этом результат исправления незаметен.

После выполнения чертежа можно получить его копию на принтере или плоттере. Чертеж получается в полном соответствии с требованиями ГОСТ ЕСКД, чистым и аккуратным.

В САПР цифровой документ легко вызвать, изменить и вновь сохранить на диске компьютера. Легко создаются различные варианты проектов, труд проектировщика становится более творческим и производительным. САПР берет на себя выполнение рутинной работы и делает труд чертежника и конструктора более производительным.

2. Точность. САПР обеспечивает существенно большую точность. Пространственное положение можно задать с точностью до четырнадцати значащих цифр, все линии чертежа ясные и чистые, весь текст четкий. Измерения можно проводить непосредственно на чертеже, не прибегая к использованию масштабного множителя.

3. Хранение чертежей, выполненных в САПР требует существенно меньше физического пространства по сравнению с хранение традиционных чертежей. Резервное копирование содержимого электронного архива чертежей и введение автоматизированной системы доступа к информации гарантирует сохранность документов.

4. Простой доступ к чертежу и легкость его передачи. Процесс поиска и просмотра чертежей значительно проще если он выполнен в САПР.

Чертеж может быть передан электронным способом в любую точку страны или по всему миру. Резко упрощается тиражирование при использовании электронных чертежей.

5. Цифровые документы могут содержать гиперссылки на связанные с ними материалы, звук, видео и т.п.

К настоящему времени создано большое число программно-методических комплексов для САПР с различной степенью специализации и прикладной ориентацией, в результате чего, автоматизация проектирования стала необходимой составной частью подготовки инженеров машиностроительных специальностей. Знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуется практически каждому инженеру-разработчику.

Любое промышленное изделие имеет два вида существования: внутри предприятия и вне его. Первый этап «от идеи до запуска в производство» - самый наукоемкий, так как здесь, кроме воплощения идеи в доступную для всех форму информации, необходимо предусмотреть и технологичность, и надежность, и безопасность. Только использование САПР позволяет в значительной мере сократить продолжительность этого этапа.

Интегрированная вычислительная сеть с высококачественными средствами коммуникации обеспечивает САПР более тесное взаимодействие с другими инженерными подразделениями.

Изучаемая студентами в курсе компьютерной графики трехмерная твердотельная система «КОМПАС-3D» относится, к так называемым, системам «среднего уровня». Проектирование происходит на уровне твердотельных моделей с привлечением мощных конструкторско-технологических библиотек, с использованием современного математического аппарата для проведения необходимых расчетов. Кроме того, эти системы позволяют с помощью средств анимации имитировать перемещение в пространстве рабочих органов изделия. Все это делает трехмерное моделирование неотъемлемой частью курса инженерной графики.

Любая из проекций ортогонального чертежа (двухмерная модель) распознается системой как плоский элемент, ограниченный некоторым количеством точек с определенными координатами X и Y. Трехмерная модель описывается точками с третьей координатой по оси 2.

На плоскости экрана (или чертежа) получается лишь мнимый образ трехмерного изображения, однако в памяти компьютера моделируемый предмет характеризуется реальной трехмерной формой.

Проектирование технического объекта - создание, преобразование и представление в принятой форме образа этого ещё не существующего объекта. Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе

взаимодействия человека и ЭВМ. Проектирование включает в себя разработку технического предложения и (или) технического задания (ТЗ), и реализацию ТЗ в виде проектной документации.

Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов, и оно является исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект, точнее, окончательное описание объекта.

Приступая к компьютерному моделированию, студенты создают геометрическую модель, которая отражает некоторые интересующие их исследуемые свойства объекта.

Твердотельная модель описывается в терминах того трехмерного объема, который занимает определяемое ею тело. Таким образом, твёрдотельное моделирование является единственным средством, которое обеспечивает полное и однозначное описание трехмерной геометрической формы. Этот способ моделирования представляет собой самый современный и наиболее мощный из всех известных методов.

Неоспоримым преимуществом твердотельной модели являются:

• полное определение объема и формы;

• обеспечение автоматического удаления невидимых (скрытых) линий;

• автоматизированное построение трехмерных разрезов проектируемого изделия, что особенно важно при анализе сложных сборочных единиц;

• автоматическое получение точных значений массы, площади поверхности, центра тяжести, момента инерции для любой детали или изделия в целом;

• повышение эффективности имитации движения инструмента или рабочих органов изделия;

• наконец, наличие разнообразной палитры цветов, управление цветовой гаммой, получение тоновых эффектов - всего того, что способствует получению качественного наглядного изображения формы.

Один из методов твердотельного конструирования основан на построении модели из набора базовых твердотельных примитивов, находящихся в библиотеках системы. Каждый примитив определен некоторой формой (шар, цилиндр переменного сечения, параллелепипед и т.д.), точкой привязки, исходной ориентацией и изменяемыми размерами.

Например, для того чтобы показать внутренние поверхности проектируемой детали, достаточно вычесть параллелепипед из полученного изображения детали (по аналогии с вырезом в аксонометрических проекциях).

После создания полной трехмерной модели можно выполнить чертеж данного изделия в ортогональных проекциях. Сделать это позволяют программные средства автоматического получения требуемых проекций с автоматическим же нанесением размеров на соответствующие виды.

Грамотное использование подобных мощных трехмерных твердотельных систем требует предварительного изучения студентами правил оформления чертежно-конструкторской документации (ГОСТы, ЕСКД) на практических занятиях по инженерной графике, знания из курса начертательной геометрии законов построения поверхностей и овладения программными средствами в курсе компьютерной графики.

Компьютер значительно расширяет возможности предъявления задач и позволяет использовать в обучении задачи исследовательского типа, по анализу конструкторских, проекционных, производственных и других ситуаций. Система допускает самостоятельную постановку задач студентами и решения их в интерактивном режиме. Такие задачи по своей направленности и практической значимости приближаются к реальным производственным и научным проблемам. В общем случае выделяют стадии научно-исследовательских работ студентов, эскизного проекта или опытно-конструкторских работ, технического, учебного проектов, испытаний опытных образцов.

Интерактивность обучающих программ дает возможность студентам во время занятий ставить и формулировать свои собственные цели и выбирать способы их достижения, способствует открытию новых знаний и способов продуктивной деятельности.

Эффективность современных педагогических технологий связана с применением в учебном процессе различных информационных образовательных ресурсов.

Ясное понимание возможностей компьютера дает в руки аппарат для методологического анализа и формирования требований к электронным изданиям. По существу компьютер дает нам: интерактивность, мультимедиа, моделинг, коммуникативность и производительность [1].

Технические возможности мультимедиа позволяют на современном этапе создавать принципиально новые обучающие программы. Мультимедийная технология, с помощью программных и технических средств дает уникальную возможность в процессе обучения имитировать образы реальных объектов, явлений и процессов. Это позволяет при обучении подходить к абстрактным понятиям, не только следуя логике разума, но также через чувства и ощущения, которые возникают при рассмотрении образных моделей реального мира, что способствует целостному восприятию материала, увеличению скорости и качества его усвоения.

Применительно к компьютерной графике, где реальные объекты заменяются геометрическими моделями, использование мультимедийных программ способствует возникновению прочной связи между

существующей пространственной интуицией студента и формирующимся в процессе обучения геометрическим пространственным мышлением.

При создании мультимедийных программ учитывается единство предметов и явлений реального мира, в частности, изучая законы компьютерной графики в применении к различным машиностроительным объектам, необходимо руководствоваться связью таких наук, как физика твердого тела, теоретическая механика, машиностроительное черчение, начертательная геометрия, информатика.

Такое понимание информационного образовательного ресурса позволяет рассматривать его не как совокупность отдельных программных продуктов дидактического, энциклопедического или прикладного назначения, а как системный объект комплексного назначения, предметно-ориентированную интерактивную среду, универсальное средство и метод организации и поддержки учебного процесса различных форм и уровней [2].

Разработанный нами в курсе компьютерной графики электронный учебно-методический комплекс (ЭУМК), представляет собой информационный образовательный ресурс, методически обеспечивающий все виды учебной деятельности с помощью современных компьютерных

технологий (рис.1).

ЭЛЕКТРОННЫЙ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ 1 КОМПЛЕКС

Ориентировочный компонент Справочно-информационный компонент Содержательный компонент Инструментально-операциональный компонент Научный компонент Контрольный компонент

•Мультимедиа презентация курса •Характеристика профессиональной деятельности •Рабочая программа курса •Учебный план •Справочная система САПР •Библиотеки САПР •Интернет •Презентации лекций •Уроки мультимедиа •Электронный тренинг •Лабораторный практикум ЭМИГО •Инструментальная среда САПР (КОМПАС-Ю) •Средства разработки мультимедиа (CamSlndio) •Средства подготовки презентаций (PowerPoint) •Презентации творческих проектов •Работы студенческого научного общества •Олимпиады •Компьютерное тестирование •Контрольно-аттестационные работы •Конкурсные и творческие задания

Рис. 1. Структура электронного образовательного ресурса Структурные компоненты применяемого ЭУМК, размещенные на внешнем носителе или на сервере локальной компьютерной сети, позволили осуществлять информационно-развивающий, деятельностный и личностно-ориентированный подходы к процессу целенаправленного формирования профессиональных инженерно-графических компетенций студентов в курсе компьютерной графики [3].

В структуре ЭУМК присутствуют ориентировочный, содержательный, научный, контрольный и справочно-информационный компоненты.

В состав ориентировочного компонента входят учебный план, рабочая программа учебного курса по данной дисциплине, квалификационные требования по специальности. В качестве

дополнительной информации здесь могут быть размещены тематика задач и контрольные вопросы.

Содержательный компонент, в который входят информационные ресурсы, поддерживающие исполнительный этап дидактического процесса:

• электронный учебник, содержащий учебный материал в гипертекстовой форме с изложением теории, необходимой для выполнения учебных заданий, и демонстрационные примеры;

• электронный конспект лекций, выполненный в форме презентаций;

• практикум, содержащий большое количество примеров (в форме мультимедиа) с решениями и задания для самостоятельного выполнения;

• лабораторный практикум по решению конструкторских, проектировочных, чертежно-графических задач с использованием методики электронного моделирования инженерно-графических объектов.

Научный компонент - расположенные на электронном сайте наиболее интересные студенческие рефераты, лучшие доклады студенческих научных конференций, задачи студенческих олимпиад с решениями.

Контрольный компонент, предоставляющий возможность организации контроля и самоконтроля усвоения знаний, в составе которого могут находиться тестовые задания различных видов как по отдельным темам, разделам учебного курса, так и по всему курсу, находящиеся в свободном доступе и с ограничением доступа;

Справочно-информационный компонент, в котором содержится различная справочная информация (библиотеки, электронные справочники, ссылки на сайты и т.д.);

На начальном этапе учебного процесса студенты, используя ориентировочный компонент, самостоятельно или с помощью преподавателя, получают информацию, необходимую для организации своего обучения: знакомятся с непосредственным аудиовизуальным представлением курса, учебным планом, рабочей программой дисциплины «Компьютерная графика».

В процессе учебной деятельности формируются умения и навыки применения инженерно-графических знаний в профессиональной сфере. Обучение имеет деятельностный характер через практику поиска и освоения необходимой информации, моделирования и решения профессионально-ориентированных задач.

При обучении студентов компьютерной графике с использованием ЭУМК существенно изменяются и механизмы получения знаний: приоритетным становится свободный доступ обучаемых к информационным ресурсам, самообучение. Существенно изменяется и роль преподавателя - вместо демонстратора и контролёра он становится

помощником и наставником студентов.

Таким образом, в зависимости от педагогических целей компьютер становится и средством, и ресурсом, и средой сложной информационной системы. Возникновение графических пользовательских интерфейсов в компьютерных технологиях способствовало созданию обучающих программ и постепенному их внедрению в процесс обучения.

Наличие виртуальных лабораторий позволяет студентам приобретать знания в процессе деятельности, имитирующей будущую профессию, ориентирует на решение конкретных проблем.

На первоначальном этапе студентами изучаются и осваиваются программные и технические средства системы. Выступая в роли пользователей, они осваивают методы расчета и проектирования, реализованные в программном обеспечении, приобретают навыки управления техническими и программными средствами.

На последующем этапе студентам выдаются задания, позволяющие использовать обучающую программу в качестве тренажера для развития инженерной интуиции, творческих способностей и ускоренного накопления профессионального опыта, что способствует реализации у студентов умения работать самостоятельно.

Модульная структура курса компьютерной графики составлена с учётом следующих профессиональных задач:

1.Твердотельное моделирование машиностроительных деталей и сборок различной конфигурации по чертежам и наглядным изображениям.

2.Создание чертежно-конструкторской документации в электронной форме моделируемых деталей и сборок в соответствии с ГОСТами.

3.Модификация моделей деталей и сборок изделий машиностроительного профиля средствами САПР.

Рис. 2. Проектируемое изделие: а) графическое изображение, б) модель

Опыт проведения занятий со студентами показал, что при использовании электронных образовательных ресурсов в курсе «Компьютерной графики» у студентов формируется целостное

представление о сложном процессе автоматизированной разработки проектно-конструкторской документации изделий. Создание объемных моделей позволяет студентам глубоко вникнуть в сущность проекционного метода построения чертежей. Использование методики создания ассоциативных видов помогает выявить связь между графическим изображением (рис. 2, а) и моделью проектируемого изделия (рис. 2, б), теснее связать теорию с практикой, увидеть межпредметные связи, повысить уровень инженерно-графической компетентности и в конечном итоге общий уровень профессиональной подготовки.

В нашем исследовании к изучаемому курсу компьютерной графики была разработана система программно-дидактических тестов ПДТ закрытого типа. Система ПДТ представлена дидактическими единицами, находящимися между собой в иерархическом соподчинении. Количество дидактических единиц соответствует количеству изучаемых модулей. Разработка отдельной дидактической единицы обеспечивалась преобразованием содержания изучаемого модуля в определенное множество тестовых заданий.

Мы устанавливали корреляцию между фактором применения разработанной технологии в процессе преподавания инженерно-графических дисциплин будущим специалистам в области автоматизированного машиностроения и повышением уровня сформированности их профессиональных инженерно-графических компетенций (ПИГК), выраженном в улучшении интегральной итоговой оценки.

ИО 2011

%

НИЗКИЙ СРЕДНИЙ ВЫСОКИЙ

Рис. 3. Сравнительные диаграммы интегральной оценки уровня сформированности ПИГК у студентов контрольных и экспериментальных

групп

На сравнительной диаграмме (рис. 3) наглядно представлено устойчивое и существенно возрастание интегральной оценки сформированности ПИГК в экспериментальной группе по сравнению с контрольной.

Использование компьютерного моделирования открывает новые

перспективы в подготовке будущего конструктора. Это обусловлено тем, что в ходе обучения появились возможности не только создавать модель объекта, но и изучать на модели взаимодействие отдельных частей в процессе работы (сборки). Начальный этап решения задачи - анализ формы каждой детали, входящей в сборочную единицу. На этапе конструирования студент формирует 3-х мерную модель, при этом на каждом этапе выполнения работы студент имеет возможность сравнивать результат, полученный на экране с реальным прототипом. Создание 3-х мерной модели способствует более естественному процессу восприятия и более полному осознанию характеристик формы будущего изделия. На заключительном этапе осуществляется процесс сборки отдельных деталей в сборочную единицу с автоматическим построением ассоциативного сборочного чертежа и спецификации.

Отметим в заключении, что проведенное исследование не исчерпывает все возможности применения ИП-технологий направленных на формирование профессиональных инженерно-графических компетенций студентов в процессии их обучения компьютерной графике. К числу проблем нуждающихся в дальнейшем рассмотрении, следует отнести теоретическое обоснование и практическую разработку мультимедийных учебно-методических пособий и электронных комплектов диагностического инструментария по инженерно-графическим дисциплинам для возможности их использования в системе дневного, заочного и дистанционного обучения.

Литература

1. Осин А. В. Мультимедиа в образовании: контекст информатизации. [Текст] - М.: ООО «РИТМ», 2005.- 320 с.

2. Севастьянова С. А. Формирование профессиональных математических компетенций у студентов экономических вузов [Текст]: Дисс. канд. пед. наук: 13.00.08. -Самара: РГБ, 2006.

3. Пузанкова А. Б. Педагогическая система формирования профессиональных инженерно-графических компетенций у студентов машиностроительного профиля в процессе их обучения компьютерной графике [Текст] / А.Б. Пузанкова, В.Н. Михелькевич // Вестник Самарского государственного технического университета. -Серия «Психолого-педагогические науки». - Самара: Изд-во СамГТУ, 2010. - № 3 (13). - С. 150-158.