Оптимальные подходы к использованию компьютерных технологий в учебном процессе по геометро-графическим дисциплинам в техническом вузе

Библиографическое описание статьи для цитирования:
Ширшова И. А., Мухина М. Л. Оптимальные подходы к использованию компьютерных технологий в учебном процессе по геометро-графическим дисциплинам в техническом вузе // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2014. – № 11 (ноябрь). – С. 91–95. – URL: http://e-koncept.ru/2014/14315.htm.
Аннотация. Геометро-графические дисциплины рассматривают построение графических моделей инженерной сферы деятельности, таких как чертежи, пространственные модели, наглядные изображения, с использованием современных компьютерных технологий. Технологические возможности новых средств обучения не только активизируют познавательную деятельность обучающихся, но и побуждают их к творческим разработкам и экспериментированию, расширяют ощущение возможного. Знания, умения и навыки, приобретенные при изучении геометро-графических курсов, необходимы для изучения общеинженерных и специальных технических дисциплин, а также в последующей инженерной деятельности.
Раздел: Отдельные вопросы сферы образования
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Мухина Милена Львовна,кандидат технических наук, доцент кафедры инженерной графики ГОУ ВПО ©Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексееваª, г.Нижний Новгородmilena.an@bk.ru

Ширшова Ирина Александровна,кандидат педагогических наук, доцент кафедры инженерной графики ГОУ ВПО ©Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексееваª, г. Нижний Новгородiashirshova@rambler.ru

Оптимальные подходы к использованию компьютерных технологий в учебном процессе по геометрографическим дисциплинам в техническом вузе

Аннотация.Геометрографическиедисциплины рассматривают построение графических моделей инженерной сферы деятельности, таких как чертежи, пространственные модели, наглядные изображения, с использованием современных компьютерных технологий. Технологические возможности новых средств обучения не только активизируют познавательную деятельность обучающихся, но и побуждают их к творческим разработкам и экспериментированию, расширяют ощущение возможного. Знания, умения и навыки, приобретенные при изучении геометрографических курсов, необходимыдля изучения общеинженерных и специальных технических дисциплин, а также в последующей инженерной деятельности.Ключевые слова:двухмерные и трехмерные модели, профессиональные компетенции, компьютерная графика, фундаментальные знания и умения студентов, технический вуз.Раздел: (01)педагогика; история педагогики и образования; теория и методика обучения и воспитания (по предметным областям).

Профессиональное техническое образование является базисом развития общества, основой совершенствования производства, поэтому в настоящее время особенно актуальны вопросы модернизации системы инженерного образования. Сегодня лидерами глобального развития становятся те страны, которые способны создавать прорывные технологии ина их основе формировать собственную мощную производственную базу. Качество инженерных кадров становится одним из ключевых факторов конкурентоспособности государства и, что принципиально важно, основой для его технологической, экономической независимости [1].Современный этап реформирования профессионального образования характеризуется поиском и внедрением путей, позволяющих обеспечивать повышение профессиональной компетентности будущих специалистов технической сферы, максимальное приближение к реальному производству, надежное сочетаниефундаментальных знаний с использованием инновационных технологий. Кроме того, есть и объективный запрос на перемены в системе подготовки инженерных кадров. Меняется не только технологический, но и весь уклад жизни, меняются и представления об инженерной деятельности, растут требования к этой профессии [2]. Решение данных задач позволит существенноизменить парадигму инженерного образования и, соответственно, структуру содержания и методы подготовки инженерных кадров.Для эффективного решения вышеуказанных задач, стоящих перед научнотехнической сферой, необходимо повышение качества профессиональной подготовки студентов технического вуза, то есть развитая современная геометрографическая подготовка будущих инженеров на базе компьютерных технологий.Классические учебные графические дисциплины (©Начертательная геометрияª, ©Инженерная графикаª, ©Компьютерная графикаª) входят в базовую часть профессионального цикла Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (ФГОС ВПО) по различным направлениям подготовки. В результате обучения в соответствии с ФГОС ВПО должны быть сформированы определенные профессиональные компетенции:владеть элементами начертательной геометрии;знать теоретические основы построения чертежа;применять методы графического представления объектов;участвовать в разработке проектной и рабочей технической документации новых или модернизируемых технических объектов, оформлении законченных проектноконструкторских работв соответствии со стандартами, техническими условиями и другими нормативными документами в области профессиональной деятельности;обладать готовностью к самостоятельной, индивидуальной работе, принятию и обоснованию технических решений в рамках своей профессиональной компетенции;использовать информационные технологии, в том числе современные средства компьютерной графики,в своей предметной области;приобретать с большой степенью самостоятельности новые знания с использованием современных образовательных и информационных технологий;проектировать и обеспечивать моделирование технических объектов с использованием стандартных средств автоматизации проектирования в соответствии с техническим заданием в своей предметной области.Традиционно дисциплины преподавались в высших учебных заведениях, в том числе и в Нижегородском государственном техническом университете им.Р.Е.Алексеева (НГТУ), в ©ручнойª технологии. Изучение графических дисциплин, таких как начертательная геометрия, проекционное черчение, техническое рисование, техническое черчение,проходило с помощью карандаша, чертежного инструмента и листа чертежной бумаги ©ватманª. Использование в процессе обучения графическим дисциплинам систем автоматизированного проектирования (САПР) активно ведется с 90хгг.прошлого столетия. В НГТУ и его филиалах геометрографические дисциплины студенты изучают на базе программного продукта AutoCADкомпанииAutodesk. Выбор AutoCADкак инструментального средства обучениявызван известными достоинствами этого наиболее распространенного в России на тот момент пакета САПР. Первоначально графические работывыполнялись студентами с помощью 2Dтехнологий проектирования, когда компьютер фактически используется в качестве электронного кульмана. По 2Dтехнологии центральное место занимает чертеж, конструктор строит проекции создаваемого объекта, а проектирование идет одновременно с созданием чертежа объекта. Схема традиционной 2Dтехнологии представлена на рис. 1 [3]. Рис.1. Схема 2Dтехнологии

Задание выдается обычно в бумажном виде. Студенты выполняют электронный вариант данного задания и только затем на его основе создают трехмерную модель. Пример выполненного задания приводится на рис. 2.

Рис. 2. Пример выполненного задания ©Втулкаª

Таким образом, задания в основном сводятся к выполнению электронной копии существующих чертежей, а учебная программа практически ориентирована на формирование у студентов умений использовать пакеты прикладных программ, базирующихся на знаниях принципов работы с графическими изображениями, принципов функционирования графических пакетов. Данная технология, возможно, оправдывает себя в учебных курсах, где не обязательно использование 3Dтехнологий проектирования, которые обеспечивают реалистичную наглядность изделия, включая анимацию, параметризацию и автоматизацию инженерных и конструкторских работ.С учетом того чтоглавным системообразующим фактором при определении структуры дисциплин является объект изучения и его отношение к профессиональной деятельности специалиста, структурирование дисциплин графической подготовки должно быть подчинено последовательности (основным этапам) профессиональноориентированной деятельности.В настоящее время в практике ведущих промышленных предприятий, где в дальнейшем работают студенты технических вузов, реализуются новые подходы к проектноконструкторским работам, где в основу положены технологии 3D. Анализ систем геометрического моделирования системы автоматизированного проектирования (САПР) различных уровней (от ориентированных на персональные компьютеры до специализированных рабочих станций) показывает, что в настоящее время наблюдается смена традиционных представлений о процессе проектирования. При этом изменениеидеологии конструирования ‬переход от традиционных методов выполнения графических работ (©электронногоª кульмана) к полноценному трехмерному моделированию, с одной стороны,открывает новые возможности по использованиюграфики в процессе конструирования, а с другой стороны, предъявляетповышенные требования к ©геометрическомуª интеллектуконструктора. В таких условиях необходимо готовить конкурентоспособных специалистов, эффективно применяющих различные САПР и 3Dтехнологии проектирования для решения задач в области своей профессиональной деятельности.В основе трехмерного моделирования лежит возможность быстро создавать сложные объемные элементы. Любой такой объект состоит из совокупности простых элементов, объединенных по определенным правилам. Трехмерное проектирование‬это качественно новый уровень выполнения проектных работ. Меняется нетолько процесс проектирования ‬меняется подход к работе. Трехмерное моделирование проектируемого объекта позволяет работать над этим объектом сразу группе специалистов. Каждый специалист обязан выполнять предписанные ему операции, поскольку от его действий зависят смежные участники процесса проектирования. Затраты времени на создание моделей проектируемого объекта в дальнейшем компенсируются более быстрой их корректировкой. Результат проектирования (разрезы, виды и др.) обобщается на основе максимально законченной модели, что существенно сокращает время выпуска проектной документации [4].Традиционно обучение по 3Dтехнологии начинается лишь в четвертом семестре (после изучения курсов ©Начертательная геометрияª, ©Инженерная графикаª, ©Компьютерная графикаª) в рамках курса ©Геометрическое моделированиеª и выполняемой студентами курсовой работы. На наш взгляд,такая последовательность введения содержания обучения требует корректировки, обусловленной рядом причин.На уровне учебного предмета необходимо учитывать логический принцип упорядочения содержания (структурирование учебной информации отображает логику профессиональной деятельности) и психологический принцип (при проектировании учебного материала следует ориентироваться на теоретические закономерности формирования геометрографических умений и профессиональных компетенций обучающихся).3Dтехнологии инженерного проектирования предполагаютполучение чертежа на заключительной стадии проектирования после создания пространственной модели и сохраняют за конструктором задачи определения оптимального содержания чертежа (см. рис. 3). Основные концепции такого подхода следующие: в качестве источника данных на протяжении всего жизненного цикла изделия принимается 3Dмодель (в отличие от конструкторскотехнологической документации); вычислительные, технологические операции также связаны с моделью; используется единый источник данных, однократно введенных в процесс и используемых всеми участниками проекта.

Конструктор сразу строит реалистичную пространственную виртуальную модель детали, узла, собирая ее,как из кирпичиков,из объемных примитивов, а также примитивов на основе вращения или выдавливания плоского контура, не прибегая к построению чертежа. Модель, формируемая на экране, является наглядным способом представления оригинала, ее можно осмотреть со всех сторон, разрезать, отредактировать форму, произвести инженерный, напримерпрочностной,расчет. ©Этот естественный для человека вариант проектирования стал реально возможным в последние десять лет благодаря компьютерной графике, позволяющей создавать трехмерные виртуальные модели объектов и наглядно отображать их на экранеª [5]. Рис.3. Схема 3Dтехнологии

3Dтехнологии также способствуют лучшему освоению графических дисциплин студентами, в том числе и со слабой начальной графической подготовкой, потому что построение пространственной модели не вызывает трудностей, в отличие от построения чертежа, а дальнейшее получение чертежа на основе 3Dтехнологии носит более формальный характер. Ограничения привыполнениипроектных работ, основанных на 2Dтехнологии, состоят также в невозможности простого анализа сборочных конструкций, усложнении процесса проверки, требовании физических прототипов, невозможности передачи данных в прикладные программы. Инаоборот, преимущества 3Dтехнологии ‬в простоте обучения и использования, быстром построении концептуальногопроекта, сокращении количества ошибок, отсутствии в необходимости в физическом прототипе. Создание различных графических изображений с помощью компьютерных технологий, обладающих уникальными возможностями, является не только инструментом для передачи и хранения информации, но и средством реализации имеющихся у обучающихся способностей к конструкторской деятельности.Если обучение компьютерной 2Dтехнологии построения чертежа давно ведется на кафедре ©Инженерная графикаª НГТУ, то методы 3Dтехнологии на ранних этапах обучения еще не нашли должного отражения в учебном процессе. Как показывает практика, уровень аппаратного и программного обеспечения технических вузов достаточно высок, но потенциал информационнокоммуникационных технологий как средства повышения качества подготовки специалиста в образовательной практике используется недостаточно; ключевая для обучения и самообразования информационная компетенция студентов формируется слабо и не играет определяющей роли в становлении профессиональной компетентности студентов технического вуза [6]. Следовательно, одним из наиболее актуальных вопросов является разработка методологических основ теории и практики применения информационных образовательных ресурсов как фактора эффективного формирования профессиональных компетенций [7].На наш взгляд, включение 3Dтехнологий в учебный процесс на более раннем этапе позволит повысить интерес к графической деятельности, более эффективно, в короткие сроки сформировать геометрографические умения, перенести основной акцент на содержание и увеличение творческих компонентов учебной познавательнотворческой деятельности, на развитие графической, технологической и информационной культуры [8]. Так, ©Начертательная геометрияª как наука изучает методы отображения пространственных объектов, в том числена плоскость, и способы решения метрических задач на чертеже. В процессе обучения студенту сложно понять алгоритм решения задачи без пространственного визуального образа рассматриваемых геометрических объектов. Безусловно, эти проблемысвязаны с уровнем развития пространственного мышления. Поэтому в курсе начертательной геометрии с целью визуализации предлагаемой информации возможно использование программных продуктов AutoCAD или Inventor компании Autodesk. Это даст возможность студентам научиться устанавливать ассоциативные связи между визуальными образными данными и их проекциями, понять смысл и назначение проекций. Основными трудностями, препятствующими формированию геометрографических умений в изучении дисциплины ©Инженерная графикаª, являются:неумение мысленно произвести необходимое пространственное переориентирование графического двумерного изображения;перекодирование его в трехмерное;выполнение с ним необходимых преобразований;перевести его обратно в двумерное;отображение результата мыслительных действий в виде чертежа, выполненного в соответствии с требованиями системы ЕСКД.В этом случае 3Dмодели могут служить как наглядной опорой, так и специальным предметом изучения, то есть выполнять функции натуральной модели и условного графического изображения. Это позволит, на наш взгляд, облегчить выполнение операций представления и оперирования образами объектов, что является необходимым условием развития пространственного представления и пространственного мышления [9]. Состав программных средств, привлекаемых к процессу обучения, также может варьироваться. Так,на этапе формирования и развития графических умений и навыков можно использоватьAutoCAD. А при выполнении курсовой работы по теме ©Чтение, деталирование и моделирование чертежа общего видаª, когда уже сформированы необходимые умения как в традиционной, то есть ручной, так икомпьютерной технологии и студенты переходят к овладению приемами решения более сложных инженерных задач, составляющих основу проектноконструкторской деятельности, предпочтительней использовать Inventor. Сравнивая работу и возможности AutoCAD и Inventor, студенты отдают предпочтение Inventor, так каксокращается ручной труд, количество ошибок при выполнении графических работ. Например, в проекционном черчении программа Inventor позволяет построить виды и разрезы практически без ошибок, связанных с пространственным мышлением, изометрическую проекцию с вырезом 1/4 части за несколько секунд, сокращается время выполнения графической работы. Чертежи деталей, соединений, сборочных единиц в Inventor рассматриваются одновременно с визуализацией соответствующих 3Dмоделей и анализом 3Dмодели на экране. Это дает возможность студентам научиться устанавливать ассоциативные связи между визуальными образными данными и их проекциями, понять смысл и назначение проекций [10].Использование нескольких систем автоматизированного проектирования обеспечивает [11]:предоставление студентам больше инструментальных возможностей исследования, конструирования, моделирования;индивидуализацию и дифференциацию процесса обучения;повышение мотивации обучения;расширение и углубление изучаемой профессиональной области знаний;расширение сферы самостоятельной профессиональноориентированной деятельности студентов.Пример выполненного задания приводится на рис. 4.

Рис. 4. Пример выполненного задания ©Сеченияª

Обобщая сказанное,можно сделать вывод о том, что применение такого подхода в учебном процессе геометрографическихдисциплин позволит решить, на наш взгляд, следующие задачи:сократить время выполнения графических работ, тем более что затраты времени на создание моделей в дальнейшем компенсируются более быстрой их корректировкой;устанавливать ассоциативные связи между визуальными образными данными и их проекциями (особенно актуально при небольшом количестве часов на изучение дисциплин графического цикла);качественно строить модели проектируемых технических объектов и создавать соответствующую им проектную и рабочую техническую документацию, пригодные для использования на всех этапах жизненного цикла изделия.Обучаясь с использованием программных продуктов, поддерживающих модельный подход в проектировании, студенты выполняют предусмотренные в рамках дисциплины графические работы качественно и с существенной экономией времени, получают навыки работы с программным продуктом, обеспечивающим решение профессиональных задач, знакомятся с будущей профессией. Учебное время дисциплины направлено на изучение необходимого теоретического материала, моделирование сложных поверхностей, изделий, научную работу студента. В дальнейшем студенты имеют возможность выполнять курсовые, выпускную и дипломную работы осознанно и в соответствии с требованиями производства, получают преимущества при прохождении производственной практики и трудоустройстве по выбранной специальности [12].В качестве результата эксперимента можно отметить, что студенты первого и второго курсов, изучающие дисциплину ©Инженерная графикаª с использованием AutoCAD и Inventor,активно и успешно участвуютв студенческой научнопрактической конференции НГТУ им. Р.Е. Алексеева по графическим дисциплинам. Поэтому предполагается дальнейшая работа с целью более глубокого исследования вопросов о методах и организационных формах эффективного формирования профессиональных геометрографических компетенций с использованием информационнокоммуникационных технологий в рамках учебного процесса, направленных на профессиональное становление будущего специалиста.

Ссылки на источники1.Путин В.В. Заседание Совета при Президенте по науке и образованию от 23.06.2014. ‬URL: http://www.kremlin.ru/news/45962(дата обращения 24.10.2014).2.Там же.3.Романычева Э.Т.,Сидорова Т. М., Сидоров С. Ю. AutoCAD 14. ‬М.: ДМК, 1999. ‬480 с.4.Альшакова Е.Л. Компьютерные технологии при преподавании графических дисциплин // Научные труды. ‬М.: МАТИ, 2011. ‬Вып. 18 (90). ‬С.324‬328.5.3Dтехнологии построения чертежа. AutoCAD / А.Л. Хейфец [и др.];под ред. А. Л. Хейфеца. ‬3е изд., перераб. и доп. ‬СПб.: БХВПетербург, 2005. ‬С. 1‬2.6.Матвеева Т. А. Формирование профессиональной компетентности студентов технического вуза в условиях информатизации образования: автореф.дис. … дра пед. наук.‬Н. Новгород, 2008. ‬46 с.7.Пузанкова А. Б. Формирование профессиональных инженернографических компетенций студентов в процессе их обучения компьютерной графике (на примере специальностей машиностроительного профиля): автореф. дис. ... канд. пед. наук. ‬Самара, 2012. ‬24 с.8.Лагунова М.В., Ширшова И. А. Формирование графоаналитических умений с использованием информационных и коммуникационных технологий: монография / Федеральное агентство по образованию, ГОУ ВПО ©Волжский гос. инженернопед. унтª. ‬Н.Новгород, 2010 ‬163 с.9.Там же.10.Альшакова Е.Л. Инновационные методики обучения конструкторскотехнологической подготовке производства // Современное машиностроение. Наука и образование: материалы 3й Междунар. науч.практ. конф./ под ред. М.М. Радкевича и А.Н. Евграфова. ‬СПб.: Издво Политехн. унта, 2013. ‬С. 23‬32.11.Скобелева И.Ю., Ширшова И.А. Выбор, освоение и применение систем автоматизированного проектирования как средство формирования профессиональных графических компетенций // Концепт. ‬2013. ‬№9 (сентябрь). ‬ART 13189.‬0,4 п. л.‬URL: http: //econcept.ru/ 2013/13189.htm. ‬Гос. рег. Эл № ФС 7749965.ISSN 2304 ‬120X(дата обращения 24.10.2014).12.Альшакова Е. Л.Компьютерные технологии при преподавании графических дисциплин.

Milena Muchina,

Candidate of EngineeringSciences, Associate Professor at the chairof Engineering Gaphics, Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E.Alekseev, Nizhny Novgorodmilena.an@bk.ruIrina Shirshova,Candidate of PedagogicSciences, Associate Professor at the chair of Engineering Graphics, Nizhny Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseev, Nizhny Novgorodiashirshova@rambler.ruOptimum approach to the use of computer technologies in educational process on geometrygraphic disciplines attechnical universitiesAbstract.Geometryand graphic disciplines consider constructing graphical models of engineering fields of activity, such as drawings, spatial models, visual images, using modern computer technology. Technological capabilities of new training tools both activatestudents' cognitive activity of studentsandencourage them to creative developmentsand experiments,extend the sense of possible. Knowledge, abilities and skills,acquired duringthe study of geometryand graphics courses,are comprehensivefor studying general engineering and technical disciplines, as well as for subsequent engineering activity.Keywords:twodimensional and threedimensional models, professional competence, computer graphics, fundamental knowledge and skills of students, technical college.

References1.Putin,V. V. Zasedanie Soveta pri Prezidente po nauke i obrazovaniju ot 23.06.2014. Available at: http://www.kremlin.ru/news/45962 (data obrashhenija 24.10.2014)(in Russian).2.Ibid.3.Romanycheva,Je. T., Sidorova,T. M. & Sidorov,S. Ju. (1999) AutoCAD 14,DMK, Moscow,480 p.(in Russian).4.Al'shakova,E. L. (2011) “Komp'juternye tehnologiipri prepodavanii graficheskih discipline”, in Nauchnye trudy,vyp. 18 (90),MATI, Moscow,pp.324‬328(in Russian).5.Hejfec,A. L. et al. (2005)3Dtehnologii postroenija chertezha. AutoCAD,3e izd., pererab. i dop,,BHVPeterburg, St. Peterburg,pp.1‬2(in Russian).6.Matveeva ,T. A. (2008) Formirovanie professional'noj kompetentnosti studentov tehnicheskogo vuza v uslovijah informatizacii obrazovanija: avtoref. dis. … dra ped. nauk,N. Novgorod, 46 p.(in Russian).7.Puzankova,A. B. (2012) Formirovanie professional'nyh inzhenernograficheskih kompetencij studentov v processe ih obuchenija komp'juternoj grafike (na primere special'nostej mashinostroitel'nogo profilja): avtoref. dis. ... kand. ped. nauk,Samara, 24 p.(in Russian).8.Lagunova,M. V. &Shirshova,I. A. (2010) Formirovanie grafoanaliticheskih umenij s ispol'zovaniem informacionnyh i kommunikacionnyh tehnologij: monografija, Federal'noe agentstvo po obrazovaniju, GOU VPO “Volzhskij gos. inzhenernoped. unt”,N. Novgorod, 163 p.(in Russian).9.Ibid.10.Al'shakova,E. L. (2013) “Innovacionnye metodiki obuchenija konstruktorskotehnologicheskoj podgotovke proizvodstva”, inRadkevich, M. M. & Evgrafov,A. N. (eds.) Sovremennoe mashinostroenie. Nauka i obrazovanie: materialy 3j Mezhdunar. nauch.prakt. konf.,Izdvo Politehn. unta, St. Peterburg,pp.23‬32(in Russian).11.Skobeleva,I. Ju. &Shirshova,I. A. (2013) “Vybor, osvoenie i primenenie sistem avtomatizirovannogo proektirovanija kak sredstvo formirovanija professional'nyh graficheskih kompetencij”,Koncept,№ 9 (sentjabr'),ART 13189,0,4 p. l. Available at: http: //econcept.ru/ 2013/13189.htm,Gos. reg. Jel № FS 7749965.ISSN 2304 ‬120X (data obrashhenija 24.10.2014)(in Russian).12.Al'shakova, E. L. (2011)Op. cit.

Рекомендованокпубликации:

ГоревымП. М., кандидатом педагогических наук, главным редактором журнала ©Концептª