Компьютерный инжиниринг в инженерно-графическом образовании

Татьяна Чемоданова

Компьютерный инжиниринг — это совокупность методов и средств практического решения инженерных задач с помощью компьютерной техники и прикладных информационных технологий, среди которых особое место занимают сис­темы автоматизированного проектирования.

Повышенный интерес к проблемам автоматизации производственной деятельности посредством САПР проявляют предприятия и организации практически всех отраслей науки и производства. Их разработке и профессиональному применению придается первостепенное значение как за рубежом, так и в России, поскольку автоматизация проектирования является неотъемлемой составной частью приоритетных направлений научно-технического прогресса — электронизации и комплексной автоматизации машино- и приборостроения. От успехов в создании и развитии САПР во многом зависят и сроки разработки образцов новой техники, и внедрение интегрированных автоматизированных производств, и рост производительности труда инженерно-технических работников.

Компьютерная техника и САПР предоставляют более производительные и эффективные методы геометрического моделирования объектов, широкие возможности баз данных и баз знаний. Без современных САПР сегодня уже невозможно проектирование сверхсложных изделий, так как они на высоком качественном уровне позволяют справляться с конструкторскими, расчетными и технологическими задачами. Представление знаний в системах искусственного интеллекта, к которым относятся и САПР, является одной из центральных проблем в процессе глобальной информатизации, поскольку информационные технологии могут эффективно имитировать поведение человека в той или иной области деятельности. В известной книге «Искусственный интеллект» А.Эндрю пишет: «Искусственный интеллект — это область исследований, направленных на то, чтобы заставить машины выполнять функции, которые… способны выполнять люди». В активной информационной деятельности инженера компьютер и САПР являются интеллектуальными субъектами взаимодействия с ним, его партнерами и ближайшими помощниками. Поэтому использование новых информационных технологий САПР в инженерном образовании становится, по существу, социально-экономической потребностью, а использование графических навыков без знания информационных технологий сегодня уже невозможно. Таким образом, цель информатизации системы образования состоит во всеобъемлющей рационализации интеллектуальной деятельности за счет внедрения новых информационных технологий, в радикальном повышении эффективности и качества подготовки специалистов.

Рис. 1. Детандер — опытно-конструкторская работа группы студентов СГФТА, вошедшая в число десяти лучших работ в конкурсе, проводимом компанией PTC в США

В числе главных достоинств высококлассных САПР машиностроительной ориентации — возможность виртуального параметрического 3D-моделирования деталей и сборочных узлов, полная ассоциативность, обеспечивающая мгновенное получение безошибочных аксонометрических и двумерных проекционных изображений созданных электронных моделей реальных изделий и обеспечение высокого стандартного качества чертежно-конструкторской документации.

В последние два десятилетия в высшей профессиональной школе постоянно ведутся работы по использованию современных технических компьютерных средств и новых информационных технологий при подготовке будущих инженеров. Передовой опыт информатизации и компьютеризации образования показывает явно выраженную тенденцию — обучение студентов практическим аспектам новых информационных технологий и их применению в будущей профессиональной деятельности. Поэтому практически во всех технических вузах сегодня уже введены прикладные дисциплины, в зависимости от функциональной направленности применяемых в учебном процессе САПР, для обучения навыкам использования этих систем в будущей учебной и профессиональной деятельности. В одном учебном заведении для профессиональной подготовки студентов может использоваться целый комплекс систем автоматизированного проектирования различного назначения, причем во многих технических вузах применяются самые мощные интеллектуальные САПР — параметрические, многомодульные, объектно-ориентированные, полифункциональные комплексные системы, способные заменить несколько систем узкоспециального назначения. С появлением таких САПР в образовательном процессе субъективные аспекты компьютерной техники (в качестве объектов освоения) стали определяться взаимообусловленной совмест­ной деятельностью: организационно-методической со стороны педагога и учебно-профессиональной — со стороны студентов. Такая работа направлена на достижение конкретных целей подготовки будущих специалистов с помощью обучения компьютерному проектированию.

Сегодня для всех очевидно, что профессиональная школа при выборе программных продуктов должна ориентироваться на реализацию прикладных функций НИТ. Каждому техническому вузу следует стремиться освоить и использовать мощный системный программный пакет, обеспечивающий трехмерное параметрическое моделирование. Выбор программных продуктов для использования в образовательных процессах каждого вуза должен основываться на том, чтобы подготовка специалистов велась в русле профессиональной направленности обучения.

Студенты Снежинской государственной физико-технической академии (СГФТА) имеют возможность освоить такие общепризнанные конструкторские системы среднего уровня, как SolidWorks, AutoCAD, КОМПАС, T-Flex, а также получивший мировую известность высококлассный программный продукт компании Parametric Technology Corporation — Pro/ENGINEER. При этом приоритет отдается именно системе Pro/ENGINEER, поскольку более высокое качество информационных технологий автоматизированного проектирования подразумевает и более высокий уровень подготовки будущих специалистов. Системы автоматизированного проектирования используются в графической подготовке студентов СГФТА и как объект изучения, и как современное эффективное средство конструирования электронных моделей реальных изделий, а также служат для решения ряда педагогических задач. Возможности параметрического виртуального моделирования изделий любой сложности и реалистичность визуализации этой САПР представляют собой педагогический потенциал, который при создании определенных условий способствует не только приобретению знаний, умений и навыков автоматизированного конструирования, но и формированию творческих способностей, воображения, образно-графического и технического мышления, а также повышению инженерно-графической и информационной культуры студентов. Конструкторская направленность систем автоматизированного проектирования определила их место в числе общеинженерных дисциплин — в первую очередь при графической подготовке и при изучении основ автоматизированного проектирования, а затем и при работе над курсовыми и дипломными проектами по конструкторско-технологическим специальностям.

Рис. 2. Курсовая работа студента Семена Подгорнова «Проектирование поверхностей сложной аэродинамической формы», представленная на 6-й всероссийский конкурс «Компьютерный инжиниринг»

Необходимость обучения студентов работе с интеллектуальными интерактивными системами автоматизированного проектирования продиктована современными квалификационными требованиями к молодым специалистам. Наличие множества проблем в российской экономике, производстве, науке, образовании и общественных отношениях на фоне достижений развитых стран мира требует переосмысления главных целей и задач отечественной профессиональной педагогики и пересмотра основополагающих требований к подготовке будущего инженера. В соответствии с образовательными концепциями нашего времени уровень профессиональной квалификации современного выпускника технического вуза прежде всего подразумевает его способность творчески решать задачи по созданию новой техники, по разработке высоких технологий, по оптимальной организации производства в условиях глобальной информатизации. А поскольку традиционная методика вузовской графической подготовки не обеспечивает надлежащих навыков конструирования, то крайне необходимо создавать новые эффективные технологии для обучения будущих специалистов конструированию на основе использования функциональных возможностей САПР, причем с выходом на конкретные технические решения. Опыт показывает, что полученных в студенческие годы знаний и умений, как правило, недостаточно для выполнения самостоятельных конструкторских работ, что приводит к длительной адаптации молодого специалиста к конкретным производственным условиям. Из этого следует, что изучение инженерно-графических дисциплин должно проводиться в атмосфере технического творчества, высшим проявлением которого является изобретательство. К тому же внедрение в образовательный процесс конструкторско-графических САПР переводит техническое творчество студентов в виртуальную область, когда творческие возможности вообще не имеют границ. Этому способствует и проведение различных конкурсов по компьютерному моделированию и графике среди студенческой молодежи, которые значительно активизируют учебно-познавательную и учебно-профессиональную деятельность студентов по освоению функциональных возможностей САПР (работы студентов СГФТА, приведенные на рис. 1-3, были представлены на всероссийских и международных конкурсах).

Конструкторская работа является одним из самых интересных направлений в творческой деятельности человека. В советские времена многие учащиеся были вовлечены в конструкторскую деятельность, но впоследствии данное направление не получило должного развития. Кроме того, за это время значительно изменились профессиональные и ценностные ориентиры в обществе, трансформировались личностные качества подрастающего поколения, в том числе студенческой молодежи. Чтобы устранить противоречия между современными квалификационными требованиями к выпускникам технических вузов и имеющимся уровнем инженерной подготовки молодежи нового поколения, профессорско-преподавательский состав СГФТА пытается внести свой вклад в решение комплексной проблемы обучения студентов младших курсов основам конструирования и формирования у них профессиональных качеств будущего специалиста.

Рис. 3. Работа студентов СГФТА, выполненная средствами САПР Pro/ENGINEER

Мы занимаемся разработкой вопросов о мотивации изучения конструкторско-графических дисциплин на базе интеллектуальных САПР, основываясь на принципах интенсификации познавательной и учебно-профессиональной деятельности студентов, овладевающих интеллектуальными компьютерными инженерными системами автоматизированного проектирования. Это обеспечивается виртуально и реально реализуемой технической идеей, вызывающей эмоциональный подъем и высокую работо­спо­собность студентов. Поэтому при подборе задач для упражнений по обучению работе с САПР мы считаем очень важным, чтобы такие упражнения сочетали в себе подражательную и творческую деятельность, требовали от студентов хорошего пространственного представления, сообразительности, размышлений, ориентируя студентов на поиски собственных путей решения той или иной задачи (см. рис. 2). Если в основе овладевания знаниями и умениями путем тренировочных упражнений учащихся лежит лишь воспроиз­водящая деятельность, то это не только не способствует, но порой даже тормозит их умственное развитие. Развивающий характер упражнения носят лишь тогда, когда содержат творчес­кие идеи, реализация которых требует от студентов оригинальных идей и само­стоятельности мышления.

С педагогической точки зрения существенное значение имеют подходы к формам организации и методам аудиторной работы студентов с преподавателем, а также самостоятельной работы студентов. Работы, связанные с обучением студентов основам конструирования, должны быть в значительной мере самостоятельными, а коллективная работа должна предусматривать личную ответственность каждого студента за порученную ему часть общего дела. Совместная деятельность не только помогает учащимся легче усваивать необходимый материал, но и является необходимым условием последующей инженерной практики, ибо формирует такие качества, как профессиональное достоинство, обязательность, организованность, коммуникабельность, способность переживать за общее дело. В процессе самостоятельной учебно-профессиональной деятельности, подкрепляемой закономерным интересом учащихся к компьютерным системам автоматизированного проектирования как ко всему новому, закладываются основы для творческого и культурного саморазвития будущих специалистов.

Сегодня студенты СГФТА могут на высоком уровне выполнять заказы производства по дву- и трехмерному моделированию средствами САПР. Это подтверждено на деле. Так, на рис. 1 изображена трехмерная виртуальная модель детандера, главного функционального компонента автономной мини-электростанции, модель и полный комплект чертежей к которой были созданы группой студентов СГФТА средствами САПР Pro/ENGINEER.

Следует привести еще один пример. Особенность и новизна работы по созданию учебных пособий по начертательной геометрии за­клю­чается в том, что выполнена она самыми младшими студентами средствами инженерной САПР в учебном процессе, ассоциируемом с учебно-познавательной и учебно-профессиональной деятельностью. Практическая значимость работы заключается в применении учебных пособий для облегчения освоения студентами трудной, но очень важной фундаментальной инженерной дисциплины, а также в ее личностно-формирующей ориентации.

«САПР и графика» 9'2000