Проблемы довузовской подготовки: аддитивные или субтрактивные технологии? Опыт использования CAD/CAM/CAPP ADEM в общем и дополнительном образовании

Лариса Дарьина, исполнительный директор, ООО фирма «ЛД-Факториал»

В преддверии конца второго десятилетия XXI века, как и двадцать лет назад, на страницах печатных и электронных изданий, в докладах ведущих специалистов страны на семинарах, конференциях и симпозиумах по­прежнему среди ключевых проблем развития промышленности России не теряет актуальности и остается неизменной в формулировке проблема нехватки высокопрофессиональных кадров — «кадровый голод». В чем же реальная проблема? Несовершенство системы профессионального образования? Недостаток учреждений среднего профессионального и высшего образования политехнической направленности? Недостаток высокопрофессиональных преподавателей в этих учреждениях?

Нет. Проблема российского профессионального образования политехнической сферы кроется в разрыве между требованиями федерального образовательного стандарта к выпускникам общего образования и необходимым уровнем подготовки абитуриентов учреждений СПО (среднее специальное образование) и вузов для успешного освоения программ профессиональной подготовки.

В федеральном государственном образовательном стандарте общего образования не предусмотрены дисциплины, обеспечивающие организацию планомерного и комплексного развития компетенций обучающихся, которые позволят выпускникам школ сделать осознанный выбор профессии политехнической направленности.

Силами учреждений дополнительного образования эта проблема не решается вследствие разрозненности получаемых учащимися знаний, умений и навыков и отсутствия возможности самостоятельно выстроить целостную систему знаний.

Даже если учреждение общего образования имеет в своем составе структурные подразделения дополнительного образования, по­прежнему остается очень много нерешенных вопросов. Основные из них:

• чему обучать?
• какие методические материалы использовать в процессе обучения?
• на какой материальной базе организовывать практическую часть образовательного процесса?

Оптимальным решением первого вопроса подготовки учащихся является многоуровневая межпредметная интеграция образовательных программ общего и дополнительного образования с применением универсального инструментария современных средств автоматизации проектирования и изготовления изделий.

Проблема нехватки методических материалов для довузовской подготовки становится очевидна любому человеку, набравшему в произвольной поисковой системе пару запросов:

• «лабораторные работы по инженерной графике для школьников»;
• «лабораторные работы по 3D­моделированию для школьников».

В первом случае получаем богатый набор лабораторных работ по черчению и моделированию всевозможных пластин, прокладок, планок, опор, корпусов, крышек, валов и т.д. (рис. 1).

Рис. 1

Во втором — получаем яркий красочный коллаж из фотографий детей вместе с преподавателями, в лучшем случае сидящих за компьютерами и программирующих роботов из конструкторов «Лего», в худшем случае — находящихся просто на обзорной экскурсии в лабораториях, оснащенных 3D­принтерами (рис. 2).

Рис. 2

По мнению региональных представителей группы компаний ADEM, специализирующихся на довузовской подготовке учащихся, ни тот ни другой подход неприемлем.

Сложно ожидать, что изображение (или чертеж) какой­либо технической детали неизвестного для обучающегося назначения вдохновит его на кропотливую работу по моделированию и изготовлению.

Есть в системе общего и дополнительного образования РФ еще одна проблема — мода. В 2010­2013 годах прочно заняли позицию «модных» две темы: «Нанотехнологии» и «Робототехника». Фактически ни один проект на грантовую поддержку с целью приобретения оборудования просто не рассматривался, если не затрагивались вышеназванные темы. То есть оснащение материальной базы образовательных учреждений оказалось либо однобоко, либо недостаточно в связи с невозможностью изыскать собственные финансы на оборудование, необходимое для развития других лабораторий.

Если к 2015 году нанотехнологии утратили актуальность для общего и дополнительного образования, то робототехника и до настоящего времени является темой № 1, невзирая на то, что весь курс сводится к способности учащегося собрать робота из готового конструктора и запрограммировать его на выполнение элементарных действий.

Для обеспечения всестороннего развития политехнического образования школьников группой компаний ADEM в регионах поддерживаются сообщества образовательных учреждений, способные организовать сетевое взаимодействие лабораторий сквозного проектирования. Этот вид деятельности описан в «САПР и графика» № 7’2013.

Для работы в сфере общего и дополнительного образования оптимальным выбором программного обеспечения в качестве универсального инструментария является академическая версия отечественной интегрированной системы CAD/CAM/CAPP ADEM 9.0, распространяемая для использования в образовательных целях как в учреждениях образования, так и индивидуально — педагогами и учащимися.

Специалистами группы компаний ADEM разрабатываются лабораторные работы, изложение материала в которых одинаково как для учащихся 5­8 классов, так и для учащихся 9­11 классов. Некоторые из них могут быть использованы и в работе с учениками начальной школы. Однако если прагматическая цель выполнения учащимися лабораторной работы одинакова для всех возрастных категорий, то общеобразовательные цели для указанных возрастных групп различны:

• ученики начальной школы знакомятся с новейшими разработками в сфере моделирования и изготовления изделий на примере, понятном любому ребенку, что способствует мотивации учащихся к изучению всех необходимых дисциплин, получению и накапливанию практических навыков;
• учащиеся 5­8 классов формируют целостное представление как о предмете, модель которого строят, свойствах объектов окружающего мира, являющихся прототипами модели, так и о неразрывных связях предметных дисциплин, изучаемых ими изолированно (математика, физика, природоведение, биология, химия и т.д.). Как следствие использования многоуровневой интеграции, у обучающихся формируется зона ближайшего развития, позволяющая в последующие годы многократно ускорить процессы обучения по любому из выбранных направлений;
• учащиеся 9­11 классов в результате выполнения работ систематизируют полученные ранее знания таких предметных областей, как математика и информатика, естественнонаучные дисциплины, технология, и восполняют пробелы в тех или иных разделах фундаментальных предметов, используя широкие возможности CAD/CAM/CAPP­системы ADEM 9.0.

Таким образом, получая практико­ориентированные навыки использования современных средств проектирования и изготовления изделий, учащиеся многократно повышают общий уровень образования и получают возможность осознанно выбрать профиль обучения в старшем звене общего образования, учреждении среднего профессионального или высшего образования политехнической направленности.

Особое внимание уделяется вопросу «Аддитивные технологии и их применение в сфере общего образования».

На настоящий момент даже у школьников 5­6 классов на слуху такой термин, как «аддитивные технологии», так как с 2015 года он служит лозунгом передового образовательного процесса, поддерживаемого многочисленными целевыми программами федерального, регионального и муниципального уровней.

Многообразие научных статей и иных материалов, в изобилии представленных на необозримо огромном количестве электронных ресурсов, доступных каждому пользователю Интернета, повествуют о практически безграничных возможностях новейших технологий, не останавливаясь на так называемых уязвимых местах возможности применения этих технологий в сфере образования, тем более не в рамках высшей школы, а в системе общего и дополнительного образования, где и закладывается фундамент мировоззрения будущих специалистов.

Очень важно не допустить перекоса в формирующемся мировоззрении учащегося. Поэтому методически правильно проводить постоянное сравнение аддитивных технологий и традиционных методов механического производства и обработки (так называемых субтрактивных):

• аддитивное производство подразумевает постройку объектов за счет добавления необходимого материала;
• субтрактивные методы предполагают удаление лишнего материала — как в случае опиловки, сверления, фрезерования, токарной обработки, резки, шлифования.

Также педагогически целесообразно уточнять, что термин «субтрактивные», подразумевающий более традиционные методы, является ретронимом, придуманным в последние годы для разграничения традиционных способов и новых аддитивных методов.

С особой осторожностью необходимо относиться к 3D­сканированию, как методу, «позволяющему в несколько раз сократить время, затрачиваемое на создание модели». Тот факт, что при этом умалчивается маловероятная возможность изменения
и/или корректировки полученной модели, а понятие «параметризованная модель» отсутствует как таковое, сводят к нулю все преимущества 3D­сканирования в системе образования.

Если же рассматривать этот вопрос с точки зрения педагогики, то такой подход вообще понижает уровень процесса обучения до репродуктивного метода, где применение изученного осуществляется на основе образца или правила. Здесь деятельность обучаемых носит алгоритмический характер (то есть выполняется по инструкциям, предписаниям, правилам в аналогичных ситуациях, сходных с показанным образцом), оставляя совершенно незатронутыми методы обучения, в каждом из которых степень активности и самостоятельности в деятельности обучаемых нарастает (метод проблемного изложения; частично­поисковый, или эвристический, метод; исследовательский метод).

Наглядным примером сравнительного анализа использования субтрактивных и аддитивных технологий является лабораторная работа «Синий махаон».

В данной лабораторной работе реализация декоративного изделия «Синий махаон» рассмотрена в такой последовательности:

• изучение биологического прототипа декоративного изделия — дневной бабочки семейства «Парусники» хвостоносец Маака, или Синий махаон;
• изучение сборной деревянной модели «Бабочка»;
• построение 3D­модели в CAD/CAM/CAPP­системе ADEM 9.0 (релиз — февраль 2016 года);
• создание техпроцесса для изготовления деталей на фрезерном станке RH­200;
• сохранение 3D­модели в формате STL;
• получение файла в формате gcode в слайсере CURA;
• импорт файла в формате gcode в программное обеспечение Repetier­Host, управляющее 3D­принтером Magnum Education;
• 3D­печать декоративного изделия.

Синий махаон — так часто называют самую крупную дневную бабочку России, распространенную в Приамурье, на Южном Сахалине и о.Кунашир, которая может залетать в Восточное Забайкалье и к устью Амура.

Биологически правильное название Парусник Маака, или хвостоносец Маака (лат. Papilio maackii) — дневная бабочка семейства «Парусники» (Papilionidae). Видовое название дано в честь Ричарда Карловича Маака — русского натуралиста, исследователя Сибири и Дальнего Востока.

Махаон Маака или Синий махаон — это не только самая крупная дневная бабочка России, но и поистине самая красивая. Поэтому не удивляет тот факт, что ее изображения встречаются чаще других бабочек. Не составил исключение и мир игрушек для детей различных возрастов: Синий махаон богато представлен различными изделиями — от сборных деревянных до моделей из легких металлов с пружинным механизмом движения крыльев.

Независимо от выбора способа реализации изделия в материале (аддитивными или субтрактивными методами) первостепенной задачей является создание 3D­модели в CAD/CAM­системе с возможностью проверить корректность построения (все ли образующие тело поверхности замкнуты, является ли тело единым объектом и т.д.). Кроме того, даже при создании модели стилизованной бабочки необходимо помнить о свойствах реального биологического объекта моделирования.

Модель Синего махаона в CAD/CAM/CAPP­системе ADEM впервые была выполнена еще в 2004 году. Изделие изготавливалось из фанеры и оргстекла на станке с ЧПУ RH­200 в лаборатории сквозного проектирования МБОУ ДО «Родник» г.о.Тольятти Самарской области.

Сборная модель бабочки и раскладка плоских деталей для построения техпроцесса изготовления изделия наглядно представлены на рис. 3.

Рис. 3

Изготовление изделия из разных заготовок на основании одной и той же модели позволяет учащимся на практике узнать различия свойств материалов и областей их применения. Модель рассчитана на толщину материала 3 мм, однако из фанеры и оргстекла такой толщины получаются совершенно разные изделия. Соответственно, при сборке деталей, вырезанных из фанеры, получается деревянная бабочка, которая впоследствии может быть художественно расписана, а из оргстекла — прозрачная, представляющая собой оригинальный декоративной компонент ночника (рис. 4).

Рис. 4

Используя уже построенные контуры деталей бабочки, можно создать модель для реализации другого декоративного изделия — брошки или заколки.

В этом случае изготовление декоративного изделия «Синий махаон» осуществляется с применением аддитивных технологий на 3D­принтере Magnum Education, который использует технологию послойного наплавления материала (FDM). Рабочее поле — 230Ѕ210 мм. Высота области печати — 235 мм. Экструдер с выходным диаметром сопла 0,3 мм.

На рис. 5 показаны этапы преобразования ранее построенных контуров сборной конструкции в модель нового изделия.

Рис. 5

Созданный в CAD/CAM/CAPP­системе ADEM 9.0 файл сохраняется в формате STL. Затем учащиеся загружают полученный файл в выбранный слайсер, из которого выгружается код управляющей программы для 3D­принтера в формате gcode. Далее gcode загружается в ПО управления 3D­принтером (с 3D­принтером Magnum Education в комплекте поставляется ПО Repetier­Host) — рис. 6.

Рис. 6

Рис. 7

В итоге получаются изящные легкие декоративные изделия (рис. 7).

В учреждениях общего и дополнительного образования непосредственно на уроках разрешается использовать только один вид пластика — полилактид (PLA). Это биосовместимый материал, нетоксичный при нагреве, не имеющий резкого запаха и безопасный в применении. Материал поставляется на катушках, имеет 16 базовых цветов, однако полная палитра возможных оттенков достаточно велика, в том числе есть полупрозрачные и прозрачные PLA. Таким образом, поле для полета фантазии учащихся в процессе обучения практически неограниченно (рис. 8).

Рис. 8

Наиболее органичным переходом от плоско­объемного моделирования к темам создания моделей сложных форм является работа с телами вращения. Одна из классических задач — это моделирование и изготовление шахматных фигур. Такая лабораторная работа, аналогично описанной выше, также выполняется с проведением сравнительного анализа применения субтрактивных и аддитивных технологий.

Рассматриваются методы создания изделий с обязательным сравнением трудозатрат, необходимостью дополнительных построений и/или оснастки и крепежа. Полученный результат оценивается с точки зрения технологической точности и эстетической привлекательности. Кроме того, эта лабораторная работа позволяет рассмотреть варианты изготовления требуемого изделия в отсутствие необходимого оборудования. Например, в распоряжении образовательного учреждения имеется фрезерный станок, но нет токарного.

Рис. 9

На рис. 9 приведены примеры изготовления пешки: слева — две половинки фигуры изготовлены на фрезерном станке из оргстекла, справа — 3D­печать из PLA.

Для демонстрации применения только аддитивных технологий необходимо выбирать примеры изделий, изготовить которые иными способами либо очень проблематично, либо вообще невозможно. К таким объектам относятся изделия с отрицательным уклоном поверхности, рельефной боковой поверхностью или гибкие конструкции.

Удачным примером, сочетающим все перечисленные преимущества аддитивных технологий, являются новогодние украшения. Елочные шары могут быть либо причудливо ажурными, либо представлять собой полую сферу с тематическим рельефом по выбору учащегося. И в том и в другом случае интересен как процесс моделирования, так и процесс подбора параметров слайсера, с тем чтобы геометрия изделий не искажалась при 3D­печати (рис. 10).

Рис. 10

Расчет гибкого декоративного браслета с символикой образовательного учреждения — это прежде всего интересная математическая задача, решение которой реализовано не только в модели, но и в материале.

Стакан для ручек и карандашей с рельефной боковой поверхностью и барельефным медальоном на ней является еще одним примером изделия, которое не выполнить на простых токарных или фрезерных станках (рис. 11).

В Поволжском регионе лабораторные работы специалистов группы компаний ADEM, аналогичные вышеописанным, ежегодно обсуждаются на семинарах специалистов информационных и материальных технологий учреждений общего, дополнительного, среднего специального и высшего образования.

Рис. 11

Так, 6 декабря 2017 года на базе МБОУ ДО «Центр технического творчества» состоялся XI Открытый региональный обучающий семинар «Современные информационные технологии в образовании. Инженерная компьютерная графика» в соответствии с планом Соглашения о сетевом взаимодействии в сфере политехнической направленности учреждений общего и дополнительного образования Поволжского региона под эгидой Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева при поддержке группы компаний ADEM.

Там же 2 марта 2018 года был организован семинар «Современные информационные технологии. Методические рекомендации к преподаванию». Мероприятие проведено в рамках региональной стажерской площадки 2018 года «Развитие сферы политехнического образования через сетевое взаимодействие учреждений различных типов и видов». Директор ООО фирма «ЛД­Факториал» Лариса Юрьевна Дарьина провела мастер­класс «Лабораторные работы по инженерной компьютерной графике для школьников в CAD/CAM/CAPP­системе ADEM».

Обсуждение специалистами учреждений образования различных уровней предлагаемых лабораторных работ приводит к стимулированию разработки методических материалов по данной тематике, что, в свою очередь, проявляется увеличением количества и повышением качества конкурсных работ учащихся и их педагогов, принимающих участие в ежегодном открытом региональном конкурсе «Инженерная компьютерная графика и применение ее в производстве». При поддержке группы компаний ADEM 26 апреля 2018 года состоялся юбилейный, X конкурс, который, как обычно, стал интересным, зрелищным мероприятием, завершающим учебный год. Работы победителей конкурса зададут новые направления разработки лабораторных работ.