К.К. Толубаева

Восточно-Казахстанский государственный технический университет им. Д.Серикбаева, Казахстан

ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕТОДОЛОГИИ ПРЕПОДАВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Перспективы развития мировой экономики в XXI в. определяются характером перехода стран к новому этапу развития производительных сил: от индустриальной стадии, при доминирующей роли крупного механизированного машинного производства, к постиндустриальной, где превалирует сфера науки, инновационного предпринимательства, образовательных услуг. При сохранении значимости производства материальных благ его экономическая эффективность будет определяться в первую очередь использованием высококвалифицированных кадров, новых знаний и навыков, технологий и методов управления.

Сегодня отечественное образование сталкивается с проблемами физического и морального старения материально-технической базы, низким уровнем оплаты труда педагогических работников, ограниченностью платежеспособности большей части населения, слабой мобильностью населения, вызванной дороговизной переездов.

Существующий высокий общий уровень профессионального образования в стране невозможно удержать методом экстенсивного развития, за счет увеличения и без того огромного объема учебной нагрузки, превысившего уже разумные пределы, вне которых утрачивается творческий характер педагогического труда. Использование информационных технологий в обучении, соответствующих мировому уровню – единственно возможный сегодня путь поступательного развития отечественной системы образования, и, в первую очередь, высшей школы.

Активное и целенаправленное применение средств информатизации в образовании позволяет не только по-новому взглянуть на педагогический процесс, но и дает необходимый научно-методологический аппарат для их анализа и обновления.

Кроме того, информатизация образования вносит изменения не только в способы распространения знаний, но и в сами знания и поэтому оказывает существенное влияние на содержание образования и управление педагогическим процессом.).

Внедрение информационных технологий в учебный процесс инженерных ВУЗов должно сопровождаться существенными изменениями в методологии преподавания всех общепрофессиональных дисциплин. Однако на практике необходимые методологические преобразования заметно отстают от нового, быстро развивающегося направления в сквозном процессе проектирования и конструкторско-технологической подготовки производства - компьютерного инжиниринга. В частности, преподавание таких общепрофессиональных дисциплин, как «Начертательная геометрия» и «Инженерная графика», в значительной мере остается пока еще традиционным.

    Традиционность преподавания начертательной геометрии (НГ) заключается прежде всего в том, что едва ли не 50% выделяемого на нее учебного времени отводится на изучение проекций абстрактных геометрических примитивов, не имеющих параметра формы - точки, прямой, плоскости, - и на решение различных позиционных и метрических задач, в том числе с использованием способов преобразования проекций.

    Между тем любой современный инженер - проектировщик, конструктор, аналитик, технолог - имеет дело не с абстрактными примитивами, а с деталями или с их объемными компьютерными моделями, элементами которых являются вершины, ребра (прямые или криволинейные) и грани (в том числе кривые поверхности). Это означает, что знания, приобретенные обучаемыми при решении задач с проекциями геометрических примитивов, остаются невостребованными ни в курсовом и дипломном проектировании, ни в последующей инженерной деятельности. Приходится ли, к примеру, проектировщикам и конструкторам применять на практике способы преобразования проекций? Ведь большинство деталей машиностроительного профиля имеют либо ось, либо плоскость симметрии, параллельно которым и располагают одну из плоскостей проекций комплексного чертежа. Вообще же говоря, для построения чертежей технических изделий достаточно знать два главных постулата НГ:

    1) три основных чертежных вида - спереди, сверху и слева - должны находиться в строгой проекционной связи;

    2) если заданы какие-либо два из основных чертежных видов, то третий вид однозначно определяется с помощью главной линии чертежа.

    В настоящее время в учебном процессе инженерных ВУЗов все шире используются CAD-системы, обеспечивающие получение быстрого и точного решения на компьютере всех без исключения задач НГ в трехмерном пространстве. 

Значительные преобразования необходимы в преподавании инженерной графики (ИГ). Дело в том, что реализуемые современными CAD-системами методы трехмерного моделирования - твердотельного, поверхностного, гибридного - коренным образом изменяют методологию проектирования и подготовки производства: главным, первичным носителем информации о проектируемом объекте становится его 3D-модель (электронный макет), а создаваемые по этой модели чертежи представляют собой вторичную форму отображения объекта. Электронный макет, являющийся наиболее полным, точным и наглядным носителем информации о проектируемом изделии, служит основным звеном в развитии имитационных методов виртуальной инженерии - технологий быстрого прототипирования, симуляции механообработки деталей на станках с ЧПУ, анализа конфликтных ситуаций в сборках и пр.

Кафедрой «Теория архитектуры и инженерная графика» преподавание компьютерной графики на базе AutoCAD проводилось давно. Использование программного продукта фирмы АСКОН КОМПАС-График произошло несколько лет назад после приобретения университетом лицензионного продукта и позволило преподавать не только компьютерную графику, но и базовые дисциплины «Инженерная графика» и «Начертательная геометрия» на более высоком качественном уровне.

Как известно, наиболее сложным является построение линий пересечения поверхностей вращения и тела вращения с многогранником. На компьютере решение подобных задач получается «автоматически», причем с учетом видимости участков линии пересечения. Если же возникает задача о нахождении линии пересечения двух поверхностей «произвольной» формы, то, хотя ее решение методами НГ теоретически возможно, практически оно неосуществимо, а на компьютере искомая линия получается просто в результате построения заданных поверхностей.

С учетом сказанного в преподавании ИГ первостепенное внимание следует уделять именно 3D-моделированию, сводя, по возможности, до минимума применение CAD-систем лишь в качестве «электронного кульмана». Выполнение чертежей технических изделий по их 3D-моделям обычно оказывается значительно менее трудоемким и длительным, чем в том случае, когда CAD-системы используются только в режиме «электронного кульмана».

 В этом нетрудно убедиться на примере разработки конструкторской документации для сборочного чертежа.

 Модель создается способом «сверху - вниз» (то есть от сборки к деталям), по ней создается сборочный чертеж и изометрическая проекция сборки), а также 2-х мерные рабочие чертежи. Нетрудно заметить, что деталирование и построение изометрической проекции не по 3D-модели, а по сборочному чертежу, потребовало бы гораздо больше рутинной графической работы.

 На основании всего вышеизложенного можно сделать следующий вывод: в учебных планах инженерных ВУЗов целесообразно перераспределить учебные часы между НГ и ИГ, а именно, увеличить количество учебных часов, отводимых в ИГ на освоение обучаемыми 3D-моделирования с применением современных CAD-систем.

 В традиционном подходе к преподаванию дисциплины «Начертательная геометрия. Инженерная графика» («НГ.ИГ») основным источником информации об изучаемом или проектируемом объекте служат чертежи (ортогональные и аксонометрические проекции), необходимые и достаточные для мысленного воспроизведения его формы и положения в пространстве.

 Внедрение компьютерных технологий трехмерного моделирования в учебный процесс инженерных ВУЗов требует переосмысления сложившихся традиций, так как наиболее полным, точным и наглядным источником информации об объекте становится его 3D-модель (электронный макет), с использованием которой может быть оформлена, при необходимости, конструкторская документация на электронных или бумажных носителях.

В настоящее время существует возможность обобщить, концептуально осмыслить и обоснованно спрогнозировать последствия развития компьютерных технологий.

  Использование прикладных информационных технологий это не простая замена традиционного кульмана на «электронный». Это по существу смена парадигмы и производства и образования, связанная с системной интеграцией производственных и информационных технологий, переходом от чертежа и других бумажных конструкторских и технологических документов к электронным документам, использованию моделей разных процессов жизненного цикла изделий».

  При разработке новой методологии преподавания «НГ.ИГ» следует учитывать еще и то обстоятельство, что развитие программно-аппаратных средств автоматизированного проектирования и подготовки производства идет по пути постепенного превращения их в комплексную имитационную среду – виртуальную инженерию .

 Уже на ранних стадиях такого превращения были созданы и реализованы «безбумажные» проекты в наукоемких отраслях зарубежного машиностроения. Так, корпорация «Боинг» создала лайнер Боинг 777 без единого бумажного чертежа и при снижении расходов на 20%, используя CAD\CAM\CAE CATIA, а 50 инженеров фирмы «Локхид-Мартин» спроектировали (с помощью той же САПР) самолет-невидимку «Дарк Стар» всего за 9 месяцев и без применения натурного макетирования.

   Уже при современном уровне развития компьютерных технологий «сфера влияния» инженерной графики, и тем более начертательной геометрии, на процессы автоматизированного проектирования и подготовки производства существенно сужается. В этом нетрудно убедиться при рассмотрении вариантов автоматизированной конструкторско-технологической подготовки производства деталей, изготавливаемых, к примеру, механообработкой ( рисунок 1)

    Для получения электронного макета детали конструктор либо использует заранее созданный эскиз на бумажном носителе (при проектировании «от деталей к сборке»), либо просто вычленяет модель детали из электронного макета сборки (при проектировании «от сборки к деталям»). На этом этапе работы конструктору достаточно иметь самое общее представление об основных положениях «НГ.ИГ».

Рисунок 1. Два варианта автоматизированной конструкторско-технологической подготовки производства деталей

    По варианту 1 (изготовление детали на станках с ЧПУ) конструкторская подготовка производства могла бы на этом и закончиться, если бы не неизбежные в ходе работы над проектом изменения конструкции детали, обусловленные требованиями технологичности, ремонтопригодности, эксплуатационной надежности и пр.

    По варианту 2 (изготовление детали на универсальных станках) требуется оформление как технологической, так и конструкторской документации на бумажных носителях.

Если учесть, что в станочном парке отечественной промышленности значительную долю (по разным оценкам от 70 до 80 процентов) составляют универсальные станки, то для преподавателей Инженерной графики актуально освоение новой методологии проектирования, глубоко интегрированной с непрерывно совершенствующимися компьютерными технологиями.

Одной из таких особенностей, в частности, может стать переход от привычных плоских чертежей (рисунок 2) к фотореалистическим изображениям объемной модели проектируемого изделия (рисунок 3), получившим название «трехмерные чертежи», выполненной при помощи графического пакета КОМПАС-График.

КОМПАС-ГРАФИК разработан специально для операционной среды MS Windows и в полной мере использует все её возможности и преимущества, предоставляя максимальную эффективность и удобства в работе.

По функциям построения и редактирования чертежа, вывода его на печать, а также по основным интерфейсным решениям графическая программа практически полностью совпадает с профессиональной версией за исключением навигационной системы приложений, используемой в производственных условиях. В университетской версии обеспечена полная поддержка чертежных стандартов. Таким образом, мы имеем в своем распоряжении высококачественную систему с набором функций, вполне достаточных для большинства видов графических работ.

В течение семестра студенты сначала осваивали основы построения геометрических примитивов с помощью встроенного комплекта упражнений. Также для самостоятельного изучения студенты имели возможность пользоваться книгами «Инженерная графика» автора Потемкина, к которым прилагались компакт диски с ознакомительным материалом.

Во втором семестре студенты выполняли двухмерные чертежи более высокого уровня сложности, в том числе сборочные чертежи со спецификациями. Учебная версия КОМПАС ГРАФИК 3D LT оснащена встроенным редактором трехмерного моделирования, что делает процесс обучения не только наглядным, но и интересным.

Рисунок 2 Двухмерные чертежи на бумажных носителях

При освоении дисциплин « Инженерная графика 2», « Основы автоматизированного проектирования» и « Основы САПР» студентами второго курса, имеющими навыки построения двухмерных чертежей, выполняются упражнения и чертежи в графической программе « КОМПАС-График».

Логическим завершением изучения дисциплин является работа на тему «Автоматизированное проектирование сборочного чертежа», для успешного выполнения которой обучаемые должны использовать весь комплекс приобретенных знаний, умений и навыков – чтения эскизов и чертежей общего вида, построения по ним моделей сборочных конструкций способом «сверху – вниз» и создания чертежей входящих в их состав узлов и деталей.

Рисунок 3 Построение ассоциативного чертежа по трехмерной модели

Созданная модель дополняется комплектом конструкторской документации – сборочным чертежом, спецификацией и чертежами всех деталей, входящих в состав сборки.

Разработка трехмерных моделей деталей и сборочной единицы в целом проводилась с использованием КОМПАС-3D. При проектировании редукторов была использована интегрированная система проектирования тел вращения КОМПАС-SHAFT , при выполнении чертежей пружин: приложение КОМПАС-SPRING. Приведенный конкретный пример совмещения современных инструментальных средств САПР с конкретными учебными задачами показывает, что в результате этой работы будущий инженер получает не только теоретические знания проектирования, но и навыки реализации потенциальных возможностей, заложенных в конкретные приложения, набирая опыт производственного проектирования.

Таким образом, несмотря на сложившуюся тенденцию обучения уже состоявшихся специалистов на предприятиях, где работают или внедряются САПР на базе системы AutoCAD, здесь возможна альтернатива. Она заключается в подготовке специалистов, владеющих инструментарием САПР и умеющих решать конкретные задачи современного производства, непосредственно в региональном техническом университете. Система КОМПАС интегрирована в учебный процесс ВКГТУ как мощный и многофункциональный инструмент, в результате чего наши выпускники владеют конкретными системами как пользователи, знают конкретные области их применения, а главное — умеют использовать их для решения производственных задач.

Молодые специалисты, освоившие современные технологии проектирования, отличаются также способностью адаптации на предприятии, отсутствием шаблонности мышления, желанием и умением работать эффективно и высокой степенью обучаемости.

Становление постиндустриального общества определяет новые контексты в жизни человека и общества: высокий статус знания и информации, осознание высокой роли личностных качеств во всех видах человеческой активности, высокую динамику и насыщенность информационного пространства, усложнение процессов и явлений окружающего мира. Классическое образование, которое базировалось на триединстве знания, умения и навыков с каждым днем все более усугубляет противоречие между целостностью культуры и фрагментарной системой образования.

Решением этого противоречия может стать модернизация образования в соответствии с разворачивающимися социокультурными тенденциями. Модернизация образования - это преобразование в целях, задачах, технологиях образовательной деятельности, направленное на удовлетворение человека и общества в образовательных продуктах и услугах в соответствии с особенностями. Модернизация образования носит общегосударственный или межгосударственный характер и не может быть осуществлена локально.