11 - 2014

Проблемы и решения при компьютеризации графических дисциплин в вузе

Александр Башкатов, Дмитрий Котиц, Татьяна Юрочкина

Александр Башкатов

Инженерно-технический институт ПГУ им.Т.Г. Шевченко, доцент кафедры программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем, к.т.н., окончил в 1986 году физико-технический факультет Днепропетровского госуниверситета, инженер-механик по специальности «Производство летательных аппаратов», кандидатская диссертация на тему «Управление экологической безопасностью городских автотранспортных сетей (на примере г.Тирасполь)» защищена в Институте проблем моделирования в энергетике НАН Украины в 2009 году.

Дмитрий Котиц

Инженерно-технический институт ПГУ им.Т.Г.Шевченко, преподаватель кафедры машиноведения и технологического оборудования, окончил в 2009 году ИТИ ПГУ по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств в машиностроении».

Татьяна Юрочкина

Инженерно-технический институт ПГУ им.Т.Г.Шевченко, ст. преподаватель кафедры машиноведения и технологического оборудования, окончила в 1982 году механический факультет Санкт-Петербургского государственного технологического института по специальности «Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций».

В подготовке любого студента­машиностроителя блок проектных дисциплин занимает весомую часть на протяжении всего обучения. Цели такой подготовки очевидны и направлены на приобретение базовых приемов создания конструкций, выбора материала, проведения исследования технологических схем устройств и подготовки необходимых данных для расчетов.

Тенденция такова, что в современных условиях традиционные инструменты разработки замещаются новыми программно­аппаратными средствами и разнообразной периферией. В свою очередь, массовое внедрение информационных технологий вызвало появление новых подходов к работе — автоматизации вычислений, САПР, электронного документооборота.

Однако наряду с этими, безусловно, позитивными изменениями все чаще наблюдаются и нежелательные явления, которые стали проявляться в явном снижении качества фундаментальной, общетеоретической подготовки студентов. Она как бы отошла на второй план, уступая место получению навыков работы с компьютером, изучению специализированных программ и приложений. Реальное оборудование часто заменяется виртуальным, технические процессы — их не всегда удачной компьютерной имитацией. На фоне кризисных явлений в экономике такие подходы становятся нормой, что вызывает вполне законную озабоченность у преподавателей, имеющих производственный опыт.

А так ли необходима полная компьютеризация обучения и уход от традиционных основ? Насколько это оправдано на практике, и каковы могут быть последствия в дальнейшем? Об этом пока никто особо не задумывается, хотя поводов более чем достаточно (всё чаще происходят аварии, досадные просчеты, нередко слышны сетования на уровень знаний инженеров).

Каковы могут быть причины такой ситуации, и как ликвидировать наметившийся «электронный тренд» в техническом образовании?

Возьмем, например, обучение графике. Понятно, что усвоение правил черчения, действующих ГОСТов для будущего инженера просто необходимо, поскольку позволяет четко выразить техническую идею, воплотить ее в общепринятые формы визуализации и грамотно подготовить проектные документы с соблюдением стандартов. Приходится принимать во внимание множество факторов, заниматься поиском оптимального решения, постоянно осмысливать и уточнять его. На помощь приходит и лист бумаги, и экран монитора. Право использовать традиционные подходы или применить компьютер остается за разработчиком. Однако при этом многие забывают, что средства машинной графики являются лишь инструментами автоматизации, назначение которых — ускорить работу над проектом, улучшить его качество и сделать процесс более эффективным. Они служат поддержкой разработчику, предоставляя реальные возможности если не избежать технических ошибок в сложном проекте, то свести их к минимуму. В этом заключается несомненная польза от внедрения электронных средств, особенно на производстве. Но польза часто приобретает форму догмата.

В вузе при выборе между ручным и компьютерным подходами перевес практически всегда почему­то бывает в пользу последнего — зачастую без учета существующих реалий и необходимости. Студент, приступая к работе над техническим заданием, как правило, не желает, а зачастую и не умеет вручную, без компьютера, выполнить даже простейшую работу, будь это создание эскизных набросков, выбор материала или проведение несложных расчетов. Не говоря уже о том, чтобы попытаться применить инженерную интуицию, смекалку или, не дай бог, нестандартные решения.

Традиционная схема обучения, как правило, выглядит следующим образом. Студенту выдаются образцы заданий, по которым он должен построить чертежи или эскизы. Задания могут быть стандартными или специфичными, сложными или простыми. Но в большинстве своем требуют точного копирования источника, его параметров. Цели понятны и очевидны: привить навыки пространственного представления модели, умелого использования традиционных (карандаш, циркуль, линейку) или электронных (графический редактор, библиотеки) инструментов на основе выданного образца. В теоретическом плане это должно подкрепляться знанием стандартов, правил выполнения графических построений.

Все вроде правильно и логично. И большинство студентов с такими задачами вполне справляются. Вместе с тем, все чаще отмечается неумение применить полученные ими знания на практике, то есть на производстве. Здесь и трудности при построении эскизов реальных деталей или сборок, и ошибки, а зачастую даже неспособность сделать быстрый набросок технического рисунка «от руки», и неадекватный выбор инструментария. Это свидетельствует не столько о слабой подготовке обучаемого, сколько об отсутствии у него творческого подхода, интереса, а зачастую и демонстрирует неспособность решить поставленную задачу альтернативным путем, то есть без компьютера.

 Вернемся к черчению. Серьезные проблемы у большинства студентов возникают уже на этапе построения эпюр в курсе начертательной геометрии, где просто необходимо пространственное мышление, знание и применение методов проецирования. Особенно в операциях, связанных с построением сечений, поиском линий связи между характерными точками. К сожалению, образное восприятие развито не у всех, а абстрактное описание малоэффективно в принципе. А чтобы понять объект, его представление должно быть предельно информативным.

Ранее для наглядности при решении подобных задач использовались физические трехмерные экспонаты, макеты устройств, цветовые альбомы. Такова была техническая база и имеющиеся средства. Ограниченность подобного подхода обусловливалась применением типовых деталей, невозможностью взглянуть на объект как бы «изнутри», не говоря о том, чтобы выполнить сложные разрезы или сечения. Тем не менее для простых изделий этого хватало с избытком, а сложные приходилось домысливать ассоциативно, что тоже в некотором роде было полезно.

В настоящее время более доступными и универсальными становятся электронные модели, созданные с применением средств машинной графики и систем виртуальной реальности. Возможностей стало больше, однако назначение осталось прежним — обеспечить лучшую наглядность в описании сложных геометрических форм и их взаимного расположения в пространстве, а также повысить качество и оперативность.

Но массовое внедрение компьютерных технологий привело и к явным перекосам в образовательном ключе. В первую очередь это коснулось адекватности применения новых технологий поставленным целям. Реальность такова, что многие будущие, да и настоящие инженеры видят компьютер единственным средством решения всех проблем и теряются, если его, «электронного помощника», не оказывается рядом. Причем этот факт типичен и на семинарах по инженерной графике, и на занятиях других, непрофильных дисциплин, и даже при выполнении простейших расчетов в спецкурсах и проектировании.

А нужно ли его, компьютер, применять столь часто, причем не всегда по делу? Насколько он незаменим в повседневных реалиях производства? Какова его роль в арсенале имеющихся средств?

Обратимся к истокам. Изначально было задумано, что автоматизация работ должна помочь там, где она необходима — в решении сложных или рутинных задач, для достижения требуемого результата с минимальными издержками и необходимой эффективностью. Что требует, в свою очередь, разумного подхода с точки зрения используемых затрат и получаемого результата. То есть сначала необходимо было осмысление ситуации, сопоставление требований и возможностей для того, чтобы затем найти компромиссное, оптимальное решение.

В реальности даже при подготовке графических иллюстраций многие студенты не допускают мысли выполнить построения с помощью обычного карандаша, вычисления — в столбик, с применением номограмм или таблиц.

Иная ситуация складывается, когда сложность проектной задачи такова, что без автоматизации работ не обойтись (многовариантная конструкция, неустановившиеся режимы, изменяемые нагрузки и т.п.). Тут студент теряется, впадая в своеобразный ступор: он не знает, как подойти к решению, не может сделать правильный выбор нужной программы из имеющегося арсенала, определиться с ее функционалом и настройками, не понимает, в каком формате лучше сохранить результат, и т.д. Другими словами — не знает, чем данная программа лучше или хуже других подобных либо инструментов, используемых традиционно. Поиск решения затягивается. В крайнем случае, он выбирает первую из программ, с которой более­менее знаком, или, наоборот, пытается использовать сложную, многофункциональную систему для решения относительно простых задач. И здесь наступает кризис, тупик…

Пути выхода из такой ситуации предлагаются разные, но предшествовать выбору, по­видимому, должно составление четкого перечня требований к каждой профильной специальности и тщательный анализ реалий и перспектив. А затем, после консультаций с потенциальными заказчиками, — логичное перестроение всей программы подготовки, которая в основе своей, вероятно, должна быть последовательной, многоэтапной и разноплановой.

Чтобы принять правильные решения, необходимо знать уровень и реальные возможности студентов. Осуществить эти меры на практике, создать новые стимулы в учебе призваны и регулярный контроль получаемых знаний, и проводимые в ряде вузов инженерные конкурсы, предметные олимпиады [1].

У студентов предметные олимпиады по инженерной графике пользуются особой популярностью. С каждым годом они становятся всё более массовыми. Организаторами выступают преподаватели профильных кафедр и специалисты учебных центров, представители разработчиков программных систем. Базой для проведения служат компьютерные классы вузов, обладающие необходимым техническим и лицензионным программным обеспечением. География и охват участников различны, задания становятся всё сложнее и интереснее.

Среди олимпиад международного уровня в области компьютерной графики наиболее известны следующие: «САПР и геометрическое моделирование в машиностроении» Хмельницкого национального университета [2], CAD­OLIMP от МГТУ «МАМИ» [3], олимпиада по инженерной графике и компьютерному моделированию в Национальном исследовательском технологическом университете «МиСиС» [4]. Соревнования регионального уровня проводятся на базе Томского госуниверситета, Санкт­Петербургского университета и ряда других учебных заведений СНГ.

Организация таких состязаний часто предусматривает проведение как заочного, так и очного тура. Каждый преследует свои цели. Так, дистанционный вариант обеспечивает большую массовость, доступность участия, возможность творчески, обстоятельно подойти к решению задач. Очные олимпиады явно демонстрируют возможности конкретных участников, позволяя в оперативном режиме сравнить и сопоставить результаты, достигнутые в сжатые сроки реального времени.

Не стал исключением Инженерно­технический институт Приднестровского госуниверситета (г.Тирасполь), в котором при активной поддержке известных российских разработчиков (АО АСКОН, НТЦ АПМ) и фирм­спонсоров ежегодно проводится региональная студенческая олимпиада «Компьютерное черчение и моделирование средствами САПР» [5]. Организаторами были разработаны и размещены на сайте вуза Положения о конкурсе и олимпиаде, в которых определены правила и сроки подачи материалов, формат и требования к участникам, методика оценки работ, видео и фото о проведенных состязаниях.

Если ранее в качестве заданий доминировали эскизы, технические рисунки, то затем решено было изменить уровень задач, в качестве образцов предоставив сборки (рис. 1), по которым требовалось создать модели и чертежи, а также выполнить расчеты.

Рис. 1. Варианты заданий

Рис. 1. Варианты заданий

Образцы изделий надо было измерить и воспроизвести максимально точно, поэтому каждый участник обеспечивался мерительными инструментами (штангенциркуль, линейка).

Для 3D­моделей предложены на выбор различные средства (пластилин, клей, бумага, карандаши), рисунки надо было сделать от руки (без применения чертежных принадлежностей) и с помощью САПР. Кроме того, в задании присутствовали задачи расчетного характера, которые требовалось выполнить не только традиционным путем (по известным методикам и техническим справочникам), но и с помощью САЕ­систем (в данном случае набора программ АПМ WinMachine). Выбор необходимого программного модуля оставался за участником. Студент должен был сам принимать решение, понимать и видеть реальные отличия и эффективность в использовании разных подходов.

На подготовку выделялось четыре часа. Вид задач и инструментов участников озадачил, заставил включить смекалку. Тем не менее задачи были решены, хотя и с разным качеством. Отдельные эпизоды олимпиады отражены на фото (рис. 2­5).

Рис. 2. Рисунок и расчеты сделаны вручную

Рис. 2. Рисунок и расчеты сделаны вручную

Рис. 3. Натуральный прототип на столе и электронный аналог на экране

Рис. 3. Натуральный прототип на столе и электронный аналог на экране

Рис. 4. Для работы студенты задействуют разные инструменты

Рис. 4. Для работы студенты задействуют разные инструменты

Рис. 5. Прорисовка детали на бумаге и в графическом редакторе

Рис. 5. Прорисовка детали на бумаге и в графическом редакторе

Анализ результатов дает основания утверждать, что эффект от использования различных методов при построении графической модели зависит от наличия базовых знаний, полученных на предыдущих курсах, определенного опыта и нестандартных подходов. Из этого следует, что необходимо внесение корректив в существующую систему обучения.

Что касается учебных дисциплин, связанных с графикой, то их можно разбить на ряд базовых образовательных блоков (рис. 6). Изучение должно быть непрерывным и творческим, побуждающим студентов к решению прикладных задач на всех этапах обучения.

Рис. 6. Базовые образовательные блоки учебных дисциплин

Рис. 6. Базовые образовательные блоки учебных дисциплин

К этим предметам необходимо периодически обращаться на всех курсах (в виде отдельных небольших заданий, контрольных тестов), что позволит всегда быть «в инженерном тонусе» и при необходимости легко применять усвоенное на практике.

Подводя методическую основу, можно сказать, что эти же базовые блоки в дальнейшем станут начальными узлами графа (рис. 7), который свяжет все последующие этапы обучения в единую образовательную схему.

Рис. 7. Схема взаимодействия блоков в процессе обучения

Рис. 7. Схема взаимодействия блоков в процессе обучения

Оценка результатов проведения таких олимпиад позволяет сделать вывод, что крайне важно поддерживать универсальность подготовки будущих специалистов, которые будут способны решать задачи оперативно, с использованием различных доступных средств (в цехе не часто встретишь компьютер) и на приемлемом уровне.

Полученные выводы можно кратко обозначить следующим образом:

  • студенты должны видеть необходимость разделения используемого инструментария в зависимости от уровня решаемых задач и качества результата;
  • задача должна быть реальной, реализуемой в пределах заданного лимита времени и средств;
  • желательно, чтобы на занятиях была показана практическая полезность и необходимость применения компьютерных технологий для сложных задач, где без них не обойтись;
  • студенты должны приобретать навыки и начальный опыт работ с различными системами, при этом важно видеть взаимосвязь получаемых данных;
  • необходимо постоянно поддерживать высокий уровень теоретических знаний (черчения, сопромата, материаловедения и др.) и всячески поощрять применение инженерной смекалки при поиске нестандартных решений.

Все вышеперечисленное приводит к необходимости грамотного разделения инструментальных средств по важности их использования, оптимального сочетания классических и инновационных методов в учебной практике. 

Список источников

  1. Большаков В., Сакаев Р. Олимпиады по компьютерной графике. Итоги и перспективы // Компьютерные инструменты в образовании. СПб.: Изд. ЦПО «Информатизация образования». 2000. № 3, 4. С. 59­64.
  2. САПР и компьютерное моделирование в машиностроении [Электронный ресурс] / (Электронные данные) — Режим доступа: http://sapr.km.ua/olympiads
  3. Олимпиада САПР «CAD­OLYMP» [Электронный ресурс] /
    (Электронные данные) — Режим доступа: http://pr.bmstu.ru
  4. Олимпиада по компьютерному моделированию и инженерной графике в НИТУ «МИСиС» [Электронный ресурс] / (Электронные данные) — Режим доступа: http://www.cadmaster.ru/assets/files/articles/cm_67_05.pdf
  5. Положение об Олимпиаде [Электронный ресурс] / (Электронные данные) —Режим доступа: http://www.iti.spsu.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=53&Itemid=11

САПР и графика 11`2014