Учебно-методический комплекс общеинженерной графической подготовки на основе САПР

Татьяна Чемоданова

Информатизация и компьютеризация инженерного образования открыла новые перспективы для повышения качества подготовки будущих специалистов, однако процесс внедрения в традиционный вузовский тандем начертательной геометрии и инженерной графики компьютерных технологий автоматизированного проектирования привел к дефициту времени на изучение дисциплин традиционного графического цикла. Дело в том, что инженерная графика в техническом вузе является важной составляющей базовой общеинженерной подготовки, закладывающей фундамент системы классического технического и профессионального образования специалиста, Ведь и при всей мощности самых современных САПР решающая роль в создании чертежа все же принадлежит человеку, а не машине: хотя в интеллектуальные системы автоматизированного проектирования заложен немалый объем знаний, все же без человека, умеющего их высокопрофессионально использовать, компьютер беспомощен.

Опыт обучения студентов Снежинской государственной физико-технической академии (СГФТА) компьютерной графике и трехмерному электронному моделированию, с одной стороны, убедил нас в том, что традиционная графическая подготовка в вузе является надежной основой для освоения современных компьютерных графических технологий, а с другой стороны, показал, что наряду со своей обширной функциональностью эти системы имеют значительный потенциал в обучении классической графической подготовки и могут стать базой педагогической системы, гарантирующей качественную инженерно-графическую подготовку студентов.

Компьютерные технологии обучения отдельным дисциплинам чрезвычайно актуальны в современных образовательных системах. Под информационной (компьютерной) технологией обучения понимается такая организация учебной деятельности, полифункциональным средством осуществления которой является компьютер. В общем случае применение компьютерной техники и автоматизированных обучающих систем (АОС) в учебном процессе обусловлено целями повышения эффективности обучения и расширения педагогических возможностей педагога.

Иллюстрации к учебному пособию «Начертательная геометрия. Краткий иллюстрированный курс»

Учитывая, что методика компьютеризации преподавания фундаментальных инженерных учебных дисциплин является сегодня одной из ключевых проблем учебного процесса высшей профессиональной школы, а также то, что универсальные САПР представляют собой педагогический потенциал, мы пришли к мысли о необходимости поиска путей использования этого потенциала для обучения студентов графическим дисциплинам. Применение САПР позволяет им легче и быстрее освоить базовые основы компьютерного моделирования и графики, более осознанно и глубоко постичь классическую инженерную геометрию и графику в условиях дефицита времени. Для наиболее эффективного использования конструкторских модулей САПР при графической подготовке студентов среди функциональных возможностей данных систем мы выделили те, которые при условии продуманного проектирования учебного процесса могли бы оказаться полезными с различных сторон.

Демонстрационный материал по курсу начертательной геометрии, выполненный средствами системы автоматизированного проектирования студентом СГФТА
Борисом Суминым

Используя ассоциируемую с учебно-профессиональной деятельностью по освоению компьютерных САПР коллективную научно-исследовательскую работу студентов нескольких групп, мы создали обширный учебно-методический комплекс (УМК) графической подготовки, состоящий из трех взаимосвязанных компонентов: УМК по начертательной геометрии, УМК по инженерной графике, УМК по компьютерной графике и основам автоматизированного проектирования. В общей сложности в состав УМК графической подготовки входит 21 учебное пособие, выполненное в бумажном и электронном вариантах. Посредством компьютерного приложения Pro/Fly Through осуществлены анимационная визуализация процессов и методов начертательной геометрии и сборки виртуальных учебных технических изделий и демонстрация процессов функционирования механизмов, изучаемых в курсе инженерной графики и основ автоматизированного проектирования.

Цели работы:

• организационно и методически обеспечить процесс обучения студентов технического вуза работе с интеллектуальными компьютерными системами автоматизированного проектирования;

• с помощью возможностей компьютерного моделирования облегчить понимание и освоение младшими студентами курсов начертательной геометрии и инженерной графики в условиях дефицита учебного времени;

• повысить культуру образовательных процессов по графическим дисциплинам;

• оптимизировать работу преподавателей графических дисциплин;

• разработать курс «Основы автоматизированного проектирования» для конструкторских специальностей вузов;

• повысить эффективность общеинженерной графической подготовки студентов технического вуза в целом, способствуя формированию компетентности будущих специалистов по использованию конструкторско-графических модулей параметрических систем автоматизированного проектирования, и обеспечить соответствие подготовки выпускников технического вуза повышенным квалификационным требованиям, предъявляемым к ним информационно-технологическим обществом.

На всероссийском конкурсе «Компьютерный инжиниринг-2004» (МАТИ им. К.Э.Циолковского, НИЦ АСК) нашим учебно-методическим комплексам по основам автоматизированного проектирования и начертательной геометрии в номинации «Дидактические системы и продукты инженерного образования» были присуждены второе и третье призовые места.

Основу учебно-методического комплекса по начертательной геометрии составляют краткий иллюстрированный конспективный курс и сборник задач, включающий примеры решения типовых позиционных, метрических и комплексных геометрических задач по всем темам курса. По каждой теме курса приводятся двух- и трехмерные цветные графические иллюстрации, выполненные студентами с помощью средств САПР и наглядно поясняющие суть изучаемого материала. Трехмерная графика позволяет представлять динамичные геометрические модели, обеспечивающие всесторонний обзор изучаемого объекта. Цветовое решение способствует повышению интереса студентов к учебной информации. На рисунках приведены фрагменты учебного пособия «Начертательная геометрия. Краткий иллюстрированный курс».

Реализация этих учебных пособий в СГФТА позволила освободить студентов от затратной по времени и не способствующей эффективному обучению работы по написанию конспектов лекций. Если прежде преподаватель тратил на лекцию два часа, то теперь для этого нужно вдвое меньше времени. При этом студенты сосредоточивают внимание на экране компьютера или на большом подвесном экране, на который с помощью мультимедийного проектора переносятся изображения, сопровождающие объяснения преподавателя. При этом они лучше усваивают материал и не успевают забыть новую учебную информацию до практического занятия, которое следует непосредственно за лекцией, а не через неделю.

Учебное пособие «Решение задач по начертательной геометрии» представляет собой две части задачника-решебника. По каждой теме курса приводится несколько задач с графическими иллюстрациями и подробным пошаговым описанием их решения.

Все указанные учебные пособия предназначены как студентам, так и преподавателям начертательной геометрии, оказывая студентам помощь в выполнении учебных упражнений по решению задач, помогая им контролировать правильность решений. Значительное количество иллюстративного материала делает эти учебные пособия интересными, привлекательными и доступными. Предлагаемые алгоритмы последовательных шагов в решении геометрических задач позволяют мысленно отслеживать эти процессы, конструировать виртуальные геометрические объекты и оперировать ими.

Работа над пособиями выполнялась в соответствии с учебными планами по компьютерным графическим дисциплинам, в результате чего работа студентов под руководством преподавателя способствовала не только более успешному освоению начертательной геометрии, но и формированию профессиональной компетентности в сфере компьютерной графики, а также воспитанию личностных качеств будущих специалистов: образно-графического и пространственного мышления, самостоятельности, чувства долга и ответственности, информационной и коммуникативной культуры.

Кроме того, учебные пособия по начертательной геометрии могут быть полностью или по частям записаны на переносные электронные носители персонального пользования и использоваться в домашних условиях.

Учебно-методический комплекс по инженерной графике также включает учебные пособия, выполненные студентами средствами САПР и полностью охватывающие тематику курса. Среди этих учебных пособий — альбом заданий для выполнения рабочих чертежей деталей и комплект паспортов к учебным сборочным изделиям.

Альбом для деталирования чертежей общего вида создавался студентами вторых и ­третьих курсов в качестве курсовой работы по основам автоматизированного проектирования. Кроме чертежей общего вида, каждый студент должен был обеспечить соответствующую визуализацию виртуального сборочного изделия и создать анимационный ролик, демонстрирующий сборку-разборку изделия, внешний вид сборочной единицы в целом и каждой детали в отдельности. Для этих целей использовалось приложение Pro/Fly Through. Чертежи общего вида для деталирования были выполнены студентами на высоком качественном уровне средствами параметрической компьютерной графики в формате А3. Альбом существует как в электронном, так и в бумажном варианте.

В работе по созданию УМК по компьютерной графике и основам автоматизированного проектирования принимали участие более 120 студентов.

В настоящее время учебно-методический комплекс включает следующие учебные и учебно-методические пособия:

1. Чемоданова Т.В. Pro/ENGINEER: деталь, сборка, чертеж: Учебное пособие. — М.: Нолидж; СПб.: БХВ-Петербург, 2003.

2. Чемоданова Т.В. Pro/ENGINEER. Part-Drawing-Assembly. Моделирование деталей и их чертежи: Учебное пособие для студентов. 3-е изд. , доп. и перераб. /Под ред. Т.В.Чемодановой. — Снежинск: СГФТА, 2003.

3. Чемоданова Т.В. Pro/ENGINEER. Part–Drawing-Assembly. Конструирование сборок и сборочные чертежи: Учебное пособие для студентов. 3-е изд., доп. и перераб. /Под ред. Т.В.Чемодановой. — Снежинск: СГФТА, 2003.

4. Pro/ENGINEER. Assembly. Практикум по сборке: Учебное пособие для студентов. 3?е изд., перераб. /Под ред. Т.В.Чемодановой. — Снежинск: СФТИ, 2001.

5. Pro/ENGINEER. Compo­nent+Compo­n­ent=As­sembly: Учебное пособие для студентов /Под ред. Т.В.Чемодановой. — Снежинск: СФТИ МИФИ, 2000.

Первое из указанных пособий предназначено студентам, аспирантам и специалистам, изучающим основы работы с интер­активной объектно-ориентированной параметрической системой автоматизирован­ного проектирования высокого класса Pro/ENGINEER (Parametric Technology Corporation, США). В пособии обстоятельно показаны функциональные возможности интеллектуальной системы по моделированию 2D- и 3D-объектов, приведены многочисленные примеры. В первой части дается объяснение принципов электронного моделирования деталей, его логической основы, представлены возможности трехмерной визуализации. Во второй части рассмотрены функции Pro/ENGINEER, позволяющие осуществлять соединение компонентов в сборочное изделие, а также манипулировать сборочными компонентами и операциями. В третьей части подробно описаны возможности и особенности графического редактора, используемые при создании чертежей и текстовой конструкторской документации применительно к стандартам ЕСКД. Пособие на протяжение длительного времени используется в Снежинской государственной физико-технической академии и соответствует современным требованиям к подготовке специалистов в технических вузах. Учебное пособие содержит около 450 иллюстраций, значительное количество которых отражает процессы моделирования деталей, сборочных узлов, создания чертежной документации средствами системы Pro/ENGINEER.

Министерство образования, учитывая за­ключение Учебно-методического объединения вузов Российской Федерации по университетскому политехническому образованию от 17.02.2003 г. № 16-06/93 и рецензии независимых экспертов, приняло решение о присвоении учебному изданию «Pro/ENGINEER: деталь, сборка, чертеж» грифа «Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности “Средства поражения и боеприпасы” направления подготовки дипломированных специалистов “Оружие и системы вооружения”».

Пособия, обозначенные номерами 2 и 3, представляют собой альбомы заданий соответственно по моделированию деталей сборочных изделий и конструированию сборок формата А3. Для большей наглядности в альбомы включены красочные изображения изделий. В настоящее время альбом включает 100 различных вариантов чертежей изделий с их трехмерными изображениями. Все модели выполнены студентами первых-третьих курсов СГФТА.

Учебные пособия под номерами 4 и 5 также выполнены студентами СГФТА при освоении навыков создания сборочных изделий средствами САПР. В зависимости от специальности и продолжительности учебного курса работа студентов отличалась по объему и сложности.

Все упомянутые учебные пособия доступны студентам в залах библиотеки в электронном виде.

Реализация вышеуказанных учебных пособий в СГФТА позволила также убедиться в несомненной пользе работ студентов по созданию учебных пособий. Обучение традиционным графическим дисциплинам и основам конструирования по созданным самими студентами виртуальным моделям деталей и сборочных узлов является на данном этапе компьютеризации профессионального образования весьма прогрессивным явлением. Для их создания в учебном процессе и для целена­правленного дидактического использования разработана эффективная педагогическая методика, учитывающая тот факт, что учебные задачи носят развивающий характер лишь тогда, когда они содержат творчес­кие идеи, реализация которых требует от студентов нетри­виальных поворотов мысли, обдумывания, само­стоятельности, ответственности, само­орга­низации. Наш опыт обучения студентов младших курсов основам конструкторской деятельности базируется на интеграции традиционных графических дисциплин с основами автоматизированного проектирования и тщательной координации различных видов учебно-познавательной деятельности в едином блоке групп различной специализации. Существенное значение здесь имеют и новые, прогрессивные подходы к формам организации и методам как аудиторной работы студентов с преподавателем, так и самостоятельной работы студентов. Курсы начертательной геометрии и инженерной графики с элементами автоматизированного конструирования понятны и интересны студентам, а в процессе исполнения таких заданий они осознают значение графических дисциплин в своей будущей профессиональной деятельности.

В активном восприятии и осмыслении студентами изучаемого мате­риала весьма важное значение имеет способность преподавателя придать своему изложению увлекательный характер, сде­лать его живым и интересным, чему во многом способствуют визуальные возможности современных систем автоматизированного проектирования. Красочные, с безупречно качественной геометрией управляемые трехмерные и плоские изображения геометрических и технических объектов, иллюстрирующие изучаемые явления и пути решения геометрических и конструкторских графических задач, оказываются необычайно привлекательными для студентов, особенно младших курсов. Обучение с помощью компьютера, являясь мощным мотивационным средством, индивидуализирует процесс обучения, подчеркивает его личностную направленность. В известной мере мотивационным фактором, обеспечивающим дополнительный интерес к учебе, является и сам компьютер.

В графическом образовании профессиональные компьютерные технологии (САПР) повышают качество знаний и умений будущих специалистов, способствуя:

• динамическому обновлению содержания, форм и методов учебно-воспитательных процессов;

• реальной профессиональной ориентации и формированию инженерной компетентности будущих специалистов;

• раскрытию, сохранению и развитию индивидуальных способностей студентов, воспитанию уникального сочетания их личностных качеств и профессиональных требований к будущим инженерам;

• развитию познавательных способностей, стремлению к самосовершенствованию.

Кроме того, применение компьютеров создает психологическую комфортность обучения, то есть студент может почувствовать свою успешность и интеллектуальную состоятельность, а это делает процесс обучения более продуктивным.

«САПР и графика» 10'2000