Сравнительный анализ компьютерных систем, используемых в учебных курсах начертательной геометрии, на примере решения задачи построения теней на фасаде в ортогональных проекциях

ПРОБЛЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ В ВЫСШЕЙ СТРОИТЕЛЬНОЙ ШКОЛЕ

УДК 004.4:514.18

Д.А. Ваванов, А.В. Иващенко*

НИУ МГСУ, *СФГА

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В УЧЕБНЫХ КУРСАХ НАЧЕРТАТЕЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ, НА ПРИМЕРЕ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ПОСТРОЕНИЯ ТЕНЕЙ НА ФАСАДЕ В ОРТОГОНАЛЬНЫХ ПРОЕКЦИЯХ

Представлены четыре программных комплекса, позволяющих рассмотреть задачи построения теней в различных аспектах применения к учебному процессу. В качестве учебной задачи принимается построение теней, как наиболее наглядное задание, позволяющее воспроизвести его в анимационных программах. Рассмотрены в качестве основных программ AutoCAD 2010 и КОМПАС-3D, в качестве обеспечивающих учебный процесс (лекционный материал) — анимационные программы, в частности, 3ds Max, а также программы, генерирующие множество вариантов контрольных работ для студентов (Delphi и Mathematica), с возможностью оперативно корректировать диапазоны изменяемых параметров объектов. В связи с тем, что невозможно рассмотреть все множество программных продуктов, позволяющих приспособить их к решению задач начертательной геометрии, были выбраны наиболее популярные в своем классе программы.

Ключевые слова: начертательная геометрия, тени на фасаде, программные средства, компьютеризация процесса, генерация, многовариантность работ, автоматизация проверки, сопоставительный анализ, программный продукт, AutoCAD, КОМПАСА, 3ds Max, Delphi, Mathematica

Одной из основных задач курса начертательной геометрии, изучаемой строителями и архитекторами, является построение теней на фасадах и в перспективе. В современных условиях задачи начертательной геометрии удобно решать с помощью компьютерных средств, в изобилии предлагаемых различными отечественными и зарубежными фирмами.

В данной статье анализируются возможные подходы к автоматизации процесса составления контрольных заданий по теме «Построение теней на фасаде зданий в ортогональных проекция». Проводится краткий анализ программных систем с точки зрения удобства решения поставленной задачи.

Постановка задачи. Необходимо разработать систему, позволяющую в автоматическом режиме сгенерировать варианты контрольных заданий по теме «Построение теней на фасаде здания», а также варианты их решений. Варианты заданий представляют собой пару ортогональных чертежей (фасад и план). Результат выполнения — пара чертежей (фасад и план) с нанесенными тенями, при этом собственные и падающиме тени различаются интенсивностью цвета.

Обзор и характеристика программных средств. На рынке современных программных систем имеется большое разнообразие специализированных

программ, позволяющих решить поставленную задачу. Однако, в силу своей специфики, эти программные средства имеют разную степень универсальности [1—3]. Так, например, общеизвестные в строительных вузах программные средства проектирования AutoCAD и KOMnAC-3D хорошо приспособлены для решения конкретных задач проектирования, в них удобно проводить построения трехмерных чертежей, но при этом основные усилия студентов смещаются с собственно геометрических задач на задачи освоения интерфейса этих программ [4—7].

Нужно сказать, что система AutoCAD снабжена встроенной системой программирования, и можно написать некоторые собственные программы на AutoLISP или C, используя некоторые специфические системные графические команды (вводимые в обычном режиме работы с клавиатуры) [8, 9]. В то же время созданные на этом средстве программы не будут обладать достаточной универсальностью и гибкостью, и будут функционировать лишь в среде AutoCAD [3, 7, 10—13].

Другое распространенное средство создания трехмерной графики — 3ds Max предназначено не столько для инженерных разработок, сколько для дизайнеров [14, 15]. С его помощью тоже можно решать задачу построения теней на фасаде, однако, эта весьма громоздкая система предназначена в первую очередь для создания анимационных роликов, и, кроме того, требует для работы значительных аппаратных ресурсов (оперативной памяти, быстродействия процессора). Несмотря на то, что в учебном процессе можно использовать этот программный продукт, но в нашем конкретном случае это было бы использованием его не по назначению [6, 16].

На рынке программных продуктов существует система Mathematica, предназначенная для студентов и научных работников, хорошо приспособленная для решения задач аналитической и начертательной геометрии. К ее недостатком можно отнести, во-первых, трудный в освоении язык программирования и, во-вторых, необходимость иметь на компьютерах специальные проигрыватели для приложений, созданных в этой среде. Кроме того, несмотря на специализи-рованность, эта система пока не получила широкого распространения в России [2, 6, 16].

И, наконец, можно назвать универсальные системы программирования, такие как С++, С#, Delphi, позволяющие создавать приложения, независимые от среды исполнения, в широком спектре назначения [1, 4, 6].

Таким образом, в статье будут представлены два варианта решения задачи генерирования контрольных заданий по теме «Построение теней на фасадах зданий» — в системе Mathematica и системе программирования Delphi.

Особенности решения поставленной задачи в среде Delphi. Система программирования Delphi не является специализированной графической средой, это универсальная среда программирования, позволяющая создавать исполнимые приложения, которые могут выполняться в любой операционной системе. В связи с этим у нее есть как свои достоинства, так и недостатки.

К недостаткам можно отнести необходимость достаточно подробной проработки алгоритма в случае построения теней от различных тел (в частности, это особенно заметно для алгоритма построения теней от тел вращения или на

телах вращения) [1, 4, 6, 16]. Поэтому в разрабатываемой программе мы ограничились только простейшими многогранниками (прямоугольными параллелепипедами) и цилиндрами, а также наклонными плоскостями.

В связи с ограниченным набором возможных используемых средств, все многообразие возможных фасадов у нас сводится к использованию всего лишь трех основных элементов: двери и двух окон (круглого и прямоугольного). Необходимое разнообразие вариантов обеспечивается возможностью варьировать места расположения этих элементов (слева, справа, в центре) из соответствующих комбобоксов, а также наличием или отсутствием подоконника и дверного навеса [9, 14]. Кроме того, в каждый вариант вносится элемент случайности, позволяющий в заданных небольших пределах слегка видоизменять форму элементов (пропорции двери и окна, размеры). В результате вполне возможно получить необходимое количество различных вариантов задания на группу студентов до 25 человек [6, 16].

В программе предусмотрена возможность не только генерировать варианты задания, но также и контролировать результаты (т.е. увидеть построенные тени) — в настоящее время эта функция находится в стадии разработки.

Особенности решения поставленной задачи в системе Mathematica. В этой системе имеются встроенные средства управления светом и собственными тенями, однако для получения трехмерного изображения с падающими тенями необходимо знать язык программирования этой системы, что делает не очень удобным ее использование в учебном процессе курса начертательной геометрии [2, 4, 6, 16].

Выводы. Проведя сопоставительный анализ применения вышеперечисленных программных средств для использования в курсе начертательной геометрии применительно к созданию учебно-методических материалов, можно отметить следующее:

наиболее распространенные в настоящее время средства автоматического проектирования AutoCAD и KOMnAC-3D используются для получения студентами навыков работы с компьютерными технологиями, со слабым учетом математических аспектов геометрических объектов (например, можно построить трехосный эллипсоид, однако при этом невозможно получить его уравнение в аналитическом виде) [17—20];

средства компьютерной анимационной трехмерной графики (3ds Max и подобные) хорошо подходят для создания обучающих роликов в освоении учебного материала, поскольку позволяют создавать одновременно на ортогональных чертежах и в трехмерном пространстве анимационный процесс хода лучей в решении задачи построения теней на фасадах зданий [6, 14, 16];

универсальные средства программирования (Delphi, C++ и подобные) хорошо подходят для генерации различных учебных контрольных заданий на однотипном материале с небольшими изменениями параметров используемых объектов;

специализированные математические пакеты (Mathematica, Maple и им подобные) также позволяют в принципе решать учебные задачи по начертательной геометрии, однако больший упор делается именно на аналитическую сторону, и именно она является первичной по отношению к получаемому объ-

екту (например, трехосный эллипсоид удобнее всего получить в этих системах именно на основании его аналитического уравнения).

Поскольку ставилась задача получить учебно-контрольные варианты заданий для студентов с наименьшими затратами времени, а выбранная система Delphi позволила это сделать достаточно просто (хоть и в условиях ограниченного набора элементов), то для решения аналогичных задач предпочтение нужно отдавать универсальным системам программирования, пока не созданы более специализированные средства контроля усвоения знаний студентами в области начертательной геометрии.

На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы. Все рассмотренные программные комплексы позволяют ставить и решать в них задачи начертательной геометрии (построение теней на фасадах зданий), при этом каждый из них обладает своими особенностями.

Так, программы AutoCAD и КОМПАСА наиболее близки инженерам и строителям и позволяют получать решения, в наиболее удобной для них среде [20]. Однако для автоматизации программирования задач пользователя необходимо знать один из встроенных языков программирования (скрипты, Visual Basic, AutoLISP), а это выходит за рамки обычного использования Автокада [12, 13].

Программа трехмерной визуализации 3ds Max позволяет продемонстрировать результаты с разных точек зрения и удобна не столько для решения конкретной задачи, сколько для создания учебно-методического видеоролика, позволяющего наглядно продемонстрировать все аспекты и этапы алгоритма решения этих задач.

Программный комплекс Delphi как наиболее универсальный продукт из рассмотренных (позволяет создавать приложение, независимое от среды разработки), дает возможность сгенерировать различные варианты постановки задач для целой группы студентов, с тонкой настройкой (включение — выключение некоторых элементов фасада здания, ограничение диапазона «плавающих» значений параметров и т.п.). Однако использование этого комплекса требует профессиональных навыков программирования, и поэтому не может быть использован в полном объеме неспециалистами.

Программный комплекс Mathematica требует существенного погружения в эту среду и предназначен для математических задач, следовательно, позволяет подробно рассмотреть именно геометрические аспекты работы алгоритма. Но использование этого программного продукта имеет смысл только в том случае, если студенты будут его использовать в решении задач других курсов (высшая математика, теоретическая механика, физика, сопротивление материалов и т.п.).

Библиографический список

1. Архангельский А.Я. Программирование в Delphi 7. М. : ООО «Бином-Пресс», 2003. 1152 с.

2. Дьяконов В.П. Mathematica 5/6/7. М. : ДМК Пресс, 2010. 624 с.

3. Хейфец А.Л., Логиновский А.Н., Буторина И.Н., Дубовикова Е.П. 3D технология построения чертежа в AutoCAD. СПб. : БХВ-Петербург, 2005. 248 с.

4. Скиена С. Алгоритмы : Руководство по разработке / пер. с англ. 2-е изд. СПб. : БХВ-Петербург, 2011. 720 с.

5. Лебедева И.М., Синенко С.А. Автоматизация процесса визуализации проектных решений в среде AUTOCAD // Вестник МГСУ 2013. № 3. С. 228—236.

6. Монахов Б.Е., Тельной В.И. Обучение и контроль знаний по начертательной геометрии с помощью дистанционных образовательных технологий // Современные информационные технологии и ИТ-образование : сб. избр. тр. VI Междунар. науч.-практ. конф. (Москва, 12—14 декабря 2011 г.) / под ред. В.А. Сухомлина. М. : ИНТУИТ.РУ,

2011. С. 389—395.

7. AutoCAD 2007. Как построить свой мир. Концептуальное проектирование и визуализация в AutoCAD. Autodesk, 2006. 104 с.

8. Жарков Н.В., Прокди Р.Г., Финков М.В. AutoCAD 2012. М. : Наука и техника,

2012. 624 с.

9. Лебедева И.М. Использование AutoCAD для повышения наглядности организационно-технологического проектирования // Вестник МГСУ 2014. № 1. С. 202—208.

10. Климачева Т.Н. 2D-черчение в AutoCAD 2007—2010. М. : ДМК-Пресс, 2009. 554 с.

11. Кальницкая Н.И., Касымбаев Б.А., Утина Г.М. Создание твердотельных моделей и чертежей в среде AutoCAD. Новосибирск : НГТУ 2009. 52 с.

12. Полещук Н.Н. AutoCAD. Разработка приложений, настройка и адаптация. СПб. : БХВ-Петербург, 2006. 992 с.

13. Полещук Н.Н., Лоскутов П.В. AutoLISP и Visual LISP в среде AutoCAD. СПб. : БХВ-Петербург, 2006. 960 с.

14. Погорелов В. AutoCAD. Трехмерное моделирование и дизайн. СПб. : БВХ-Петербург, 2003. 278 с.

15. Габидулин В.М. Трехмерное моделирование в AutoCAD 2012. М. : ДМК-Пресс, 2011. 240 с.

16. Тельной В.И., Царева М.В. Использование информационных технологий при преподавании компьютерной графики // Вестник МГСУ 2012. № 6. С. 161—165.

17. Онстот С. AutoCAD 2012 и AutoCADLT 2012 / пер. с англ. А. Жадаева. М. : ДМК-Пресс, 2012. 400 с.

18. Соколова Т.Ю. AutoCAD 2012 на 100 %. СПб. : Питер, 2012. 576 с.

19. Финкельштейн Э. AutoCAD 2008 и AutoCAD LT 2008. Библия пользователя. М. : Диалектика, 2007. 1312 с.

20. Бондаренко С.В., Бондаренко М.Ю., Герман Е.В. AutoCAD для архитекторов. М. : Диалектика, 2009. 592 с.

Поступила в редакцию в июне 2015 г.

Об авторах: Ваванов Дмитрий Алексеевич — старший преподаватель кафедры начертательной геометрии и графики, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-24-83, grafika@mgsu.ru;

Иващенко Андрей Викторович — кандидат технических наук, дизайнер, Союз дизайнеров Москвы (СФГА), 109383, г. Москва, ул. Шоссейная, д. 90/17, оф. 206, ivashchenko_a@inbox.ru.

Для цитирования: Ваванов Д.А., Иващенко А.В. Сравнительный анализ компьютерных систем, используемых в учебных курсах начертательной геометрии, на примере решения задачи построения теней на фасаде в ортогональных проекциях // Вестник МГСУ 2015. № 10. С. 194—200.

D.A. Vavanov, A.V. Ivashchenko

COMPARATIVE ANALYSIS OF THE COMPUTER SYSTEMS USED IN TRAINING COURSES OF DESCRIPTIVE GEOMETRY ON THE EXAMPLE OF SOLVING THE PROBLEM OF SHADOWS ON THE FACADES OF BUILDINGS IN ORTHOGONAL PROJECTIONS

The article describes four software packages that allow considering the problem of constructing shadows in various aspects of application to the educational process. As a learning task we took shadow casting as the most illustrative task allowing to reproduce it in animation programs. As the main programs we considered AutoCAD 2010 and COMPASS 3D. For providing educational process (lecture material) we considered animation programs, in particular, 3ds Max. We also considered a program that generates a variety of examination options for students (Delphi and Mathematica), with the ability to quickly adjust the range of variable parameters of the objects.

Due to the fact that it is impossible to observe the entire set of software products that allow you to tailor them to meet the challenges of descriptive geometry, the most popular programs in their class were chosen.

Key words: Descriptive geometry, shadows on the facade, software, computerization of educational process, generation, multivariate tasks, test automation, comparative analysis, software product

References

1. Arkhangel'skiy A.Ya. Programmirovanie v Delphi 7 [Programming in Delphi 7]. Moscow, OOO "Binom-Press" Publ., 2003, 1152 p.

2. D'yakonov V.P. Mathematica 5/6/7 [Mathematica 5/6/7]. Moscow, DMK Press, 2010, 624 p.

3. Kheyfets A.L., Loginovskiy A.N., Butorina I.N., Dubovikova E.P. 3D tekhnologiya postroeniya chertezha v AutoCAD [3D Technology of Drawing in AutoCAD]. Saint Petersburg, BKhV-Peterburg Publ., 2005, 248 p.

4. Skiena S. The Algorithm Design Manual. Springer, 2nd ed. 2010, 730 p.

5. Lebedeva I.M., Sinenko S.A. Avtomatizatsiya protsessa vizualizatsii proektnykh resh-eniy v srede AUTOCAD [Automation of the Process of Visualization Applicable to Design Solutions in the AUTOCAD Environment]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 3, pp. 228—236.

6. Monakhov B.E., Tel'noy V.I. Obuchenie i kontrol' znaniy po nachertatel'noy geometrii s pomoshch'yu distantsionnykh obrazovatel'nykh tekhnologiy [Training and Supervision of Knowledge on Descriptive Geometry Using Distance Learning Technologies]. Sovremennye informatsionnye tekhnologii i IT-obrazovanie : sbornik izbrannykh trudov VI Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii

7. AutoCAD 2007. Kak postroit' svoy mir. Kontseptual'noe proektirovanie i vizualizatsiya v AutoCAD [How to Build Your Own World. Conceptual Design and Visualization with AutoCAD]. Autodesk, 2006, 104 p.

8. Zharkov N.V., Prokdi R.G., Finkov M.V. AutoCAD 2012. Moscow, Nauka i tekhnika Publ., 2012, 624 p.

9. Lebedeva I.M. Ispol'zovanie AutoCAD dlya povysheniya naglyadnosti organizatsi-onno-tekhnologicheskogo proektirovaniya [Using AutoCAD to Improve the Visibility of the Organizational Technological Design]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 1, pp. 202—208.

10. Klimacheva T.N. 2D-cherchenie v AutoCAD 2007—2010 [2D Drawing in AutoCAD 2007—2010]. Moscow, DMK-Press Publ., 2009, 554 p.

10/2015

11. Kal'nitskaya N.I., Kasymbaev B.A., Utina G.M. Sozdanie tverdotel'nykh modeley i chertezhey v srede AutoCAD [Creation of Solid Models and Drawings in AutoCAD]. Novosibirsk, NGTU Publ., 2009, 52 p.

12. Poleshchuk N.N. AutoCAD. Razrabotka prilozheniy, nastroyka i adaptatsiya [AutoCAD. Application Development, Configuration and Adaptation]. Saint Petersburg, BKhV-Pe-terburg Publ., 2006, 992 p.

13. Poleshchuk N.N., Loskutov P.V. AutoLISP i Visual LISP v srede AutoCAD [AutoLISP and Visual LISP in AutoCAD]. Saint Petersburg, BKhV-Peterburg Publ., 2006, 960 p.

14. Pogorelov V. AutoCAD. Trekhmernoe modelirovanie i dizayn [Three-Dimensional Modeling and Design]. Saint Petersburg, BKhV-Peterburg Publ., 2003, 278 p.

15. Gabidulin V.M. Trekhmernoe modelirovanie v AutoCAD 2012 [Three-Dimensional Modeling in AutoCAD 2012]. Moscow, DMK-Press Publ., 2011, 240 p.

16. Tel'noy V.I., Tsareva M.V. Ispol'zovanie informatsionnykh tekhnologiy pri prepodava-nii komp'yuternoy grafiki [Use of Information Technologies in Teaching Computer Graphics]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 6, pp. 161—165.

17. Onstott S. AutoCAD 2012 and AutoCAD LT 2012 Essentials. Sybex, 1 edition, 2011, 400 p.

18. Sokolova T.Yu. AutoCAD 2012 na 100 % [AutoCAD 2012 by 100 %]. Saint Petersburg, Piter Publ., 2012, 576 p.

19. Finkel'shteyn E. AutoCAD 2008 i AutoCAD LT 2008. Bibliya pol'zovatelya [AutoCAD 2008 and AutoCAD LT 2008. The Bible of a User]. Moscow, Dialektika Publ., 2007, 1312 p.

20. Bondarenko S.V., Bondarenko M.Yu., German E.V. AutoCAD dlya arkhitektorov [AutoCAD for the Aarchitects]. Moscow, Dialektika Publ., 2009, 592 p.

About the authors: Vavanov Dmitriy Alekseevich — Senior Lecturer, Department of Descriptive Geometry and Graphics, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; +7 (499) 183-24-83; grafika@mgsu.ru;

Ivashchenko Andrey Viktorovich — Candidate of Technical Sciences, designer, Union of Designers of Moscow, 90/17 Shosseynaya str., SFGA, room 206, 109383, Moscow, Russian Federation; ivashchenko_a@inbox.ru.

For citation: Vavanov D.A., Ivashchenko A.V. Sravnitel'nyy analiz komp'yuternykh sistem, ispol'zuemykh v uchebnykh kursakh nachertatel'noy geometrii na primere resheniya zadachi postroeniya teney na fasade v ortogonal'nykh proektsiyakh [Comparative Analysis of the Computer Systems used in Training Courses of Descriptive Geometry on the Example of Solving the Problem of Shadows on the Facades of Buildings in Orthogonal Projections]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2015, no. 10, pp. 194—200.