|
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«Курский государственный университет»
Реферат
На тему «Использование трехмерных моделей в преподавании»
Подготовил Чуйков М.Л.
Проверил Кондратов Р.Ю.
Курск 2014
Введение
Системы автоматизированного проектирования, основывающиеся на трехмерном моделировании, в настоящее время становятся стандартом для создания конструкторской и технологической документации. Это обусловливает специальные требования к подготовке инженеров в техническом вузе. В процессе организации профессиональной подготовки как необходимое условие выступают: формирование заданных уровней компетентности, профессиональная культура специалиста, развитие его потребностей в постоянном профессиональном самосовершенствовании. Данные условия являются базовыми для эффективной деятельности в обстановке конкурентно способной среды. На фоне этого наблюдается высокий уровень мотивации будущих специалистов к изучению методов компьютерной графики, возрастает роль графической подготовки в современном техническом образовании. С изменением целевых установок образования, в связи с введением новых ФГОС, перед преподавателями графических кафедр стоит вопрос о пересмотре содержания и методики преподавания начертательной геометрии и инженерной графики. Таким образом, необходимость разработки технологии организации и совершенствования методики преподавания графических дисциплин вызывается потребностями практики современного производства и поэтому является актуальной. Современная концепция высшего профессионального образования требует качественной подготовки специалистов, соответствовавших новым требованиям, предъявляемым к современной профессиональной деятельности. Информационный характер системы образования создает предпосылки для универсализации средств и ресурсов межпредметных связей и средств их реализации, предлагая свои средства, методы и формы.
Необходимость применения компьютерных технологий при подготовке технических специалистов среднего звена связана прежде всего с тем, что резко изменились условия труда во многих отраслях промышленности. Высокая конкурентоспособность в рыночных условиях возможна только при квалифицированной графической подготовке и свободном общении с компьютером. Профессиональными качествами выпускников должны стать инженерно-техническая грамотность, творческий подход к выполняемой работе, развитое пространственное мышление, умение ориентироваться в конструкторской и технологической документации, использование возможностей компьютерной техники, готовность к постоянному самообразованию, которые невозможно сформировать без качественно нового подхода в преподавании графических дисциплин.
Использование трехмерных моделей в преподавании
Графика является уникальным средством коммуникации людей различных профессий и национальностей, так как ее язык интернационален и универсален. В основе понимания форм различных деталей, способов их образования и построения чертежа лежит пространственное мышление.
На фоне этого наблюдается высокий уровень мотивации будущих специалистов к изучению методов компьютерной графики, возрастает роль графической подготовки в современном техническом образовании. С изменением целевых установок образования, в связи с введением новых ФГОС, перед преподавателями графических кафедр стоит вопрос о пересмотре содержания и методики преподавания начертательной геометрии и инженерной графики. Таким образом, необходимость разработки технологии организации и совершенствования методики преподавания графических дисциплин вызывается потребностями практики современного производства и поэтому является актуальной.
Для повышения профессиональной компетенции будущих специалистов необходимо реализовать главные идеи реформирования высшего образования, одним из направлений которого, является внедрение в образовательный процесс компьютерных технологий. Информационные технологии оказывают большое влияние на подготовку к будущей профессиональной деятельности. В результате их использования в вузовском учебном процессе повышаются эмоциональный отклик студентов на процесс познания, мотивация учения, интерес к овладению новыми знаниями, умениями и практическое их применение, способствует развитию способностей студентов, активизирует мышление. Именно трехмерное моделирование в ходе создания чертежей позволяет, начиная с первого курса обучения, студентам сформировать образ изучаемого объекта.На сегодняшний день чуть ли не единственная дисциплина, «… изучение ее является лучшим средством развития нашего воображения, а без достаточно развитого воображения немыслимо никакое серьезное техническое творчество, т.е. проектирование». Начертательная геометрия составляет основу инженерного образования, формирующего базовые знания, необходимые для изучения специальных дисциплин [5].
Любой учитель может пожаловаться на недостаток наглядных пособий, приборов для фронтальных демонстраций, моделей и прочего оборудования, призванного:
повысить уровень внимания школьников,
облегчить понимание и усвоение материала,
обогатить методическую базу преподавания.
Все перечисленные выше пункты так или иначе связаны друг с другом, и изменение уровня одного из них является либо причиной, либо следствием других. Проблема нехватки материального обеспечения учебного процесса не является новой. Она была и останется актуальной еще достаточно долго, поскольку представляется затруднительным выход школы из финансового кризиса при современном положении экономики страны.Поэтому, одним из выходов из создавшегося положения (кроме рисования на доске) может оказаться использование ресурсов вычислительной техники, и, более узко, использование возможностей трехмерного компьютерного моделирования.
Почему же мы останавливаемся на возможностях именно трехмерной графики? Дело в том, что современный учитель, имеющий возможность использования персонального компьютера на уроке и способный держать в руке манипулятор мышь или управляться с графическим планшетом, вполне в состоянии при подготовке к очередному уроку выполнить двумерные рисунки, используя традиционные редакторы типа: MS Paint, Adobe PhotoShop, CorelDraw & etc. При этом учитель может восполнить недостаток отсутствующих схем, диаграмм, планов, таблиц.
Например, учитель истории легко может сканировать карту, отображающую динамику какого-либо события, и вывести ее при демонстрации на экран телевизора с достаточной диагональю экрана. Если качество изображения оставляет желать лучшего, то его легко трассировать, превратив растровый рисунок в векторный, который можно будет демонстрировать в произвольном масштабе. Все перечисленные действия не требуют наличия особых знаний и умений и укладываются в обычный пользовательский курс. Но в условиях двумерного моделирования очень сложно передать работу или хотя бы общие черты реальных трехмерных объектов.
Создание трехмерных изображений требует несколько большего опыта и определенного уровня навыков пользования компьютером. Нельзя говорить о каких-то сложных специальных методах работы с объемной графикой. Тем не менее, набор методов здесь существенно богаче, нежели в двумерной графике. Поэтому освоение методов работы в одном из многочисленных трехмерных редакторов требует определенного времени.
Но в тоже время основным препятствием освоения начертательной геометрии является сложность восприятия проекционного чертежа, так как проекция формируется в сознании работой мозга, а для обработки графической информации, данной в обобщенном виде, требуется подключение не только логического мышления, но и образного. Образное мышление определяется не только субъективными, природными способностями, но и опытом восприятия изображений (произведений искусства, чертежей, рисунков и т.п.). С помощью трехмерного моделирования в среде графических пакетов задача визуального представления геометрических объектов значительно упрощается.
Использование трехмерного моделирования позволяет создать визуальный образ объекта, использовать цвет, анимацию, но, тем не менее, не должно отвлекать внимание обучающихся от решения поставленных задач. Умение анализировать ортогональный чертеж геометрического объекта, расчленить его сложную форму на простые составляющие геометрические тела – позволит легко переходить от 3D-моделей к плоским чертежам, при этом значительно упрощая процесс редактирования чертежей. Развитие и применение современных графических пакетов при изучении графических дисциплин обусловлены спецификой образования студентов-машиностроителей, требующей для дальнейшей проектной деятельности развитого пространственного мышления, умений воспринимать и производить графическую информацию.
Трехмерное проектирование изделий является одной из актуальных задач машиностроительного производства. Создание компьютерной модели является аналогом изготовления макета изделия или первого образца, но со значительно меньшими затратами материалов, труда и средств. На основе трехмерной компьютерной модели конструктивно обрабатываются все элементы и узлы изделия, выявляются недоработки, вносятся изменения.
Известно, что разработка продукции – наиболее сложный процесс в ее жизненном цикле с точки зрения обеспечения качества этой продукции. Именно на этой стадии жизненного цикла закладывается уровень качества продукции, который затем обеспечивается в производстве, поддерживается, проявляется и реализуется в эксплуатации или потреблении. Известно правило «70:20:10», согласно которому успешное решение проблемы качества продукции на 70% зависит от качества ее проектирования, 20% - от изготовления и на 10% - от эксплуатации, а именно качество продукции определяет ее конкурентоспособность. «Предпосылкой для реализации концепции ЖЦИ является переход в процессе проектирования от бумажной и двухмерной электронной документации к твердотельному 3D-моделированию изделий и их компонентов в CAD-средах. Созданная на этапе проектирования виртуальная модель изделия несет в себе информацию о топологии и геометрии деталей и изделия в целом, физико-механические характеристики материала» [7].
В мире двухмерного моделирования результирующими данными проектирования являются чертежи, с которыми идет постоянная работа на протяжении всего жизненного цикла изделия. При трехмерном моделировании ключевой элемент – твердотельная модель. Чертежи являются лишь одним из видов представления модели. По модели гораздо проще представить себе изделие еще до того, как оно будет физически изготовлено. Кроме лучшего визуального представления проектируемых изделий 3D-графика на порядок повышает точность проектирования, особенно сложных 3D-объектов, позволяет легко редактировать трехмерную модель, за счет чего достигается экономия времени на проектирование.
Это дает конструктору на ранних этапах проектирования возможность оценить массоинерционные характеристики, собираемость изделия, проворачиваемость механизмов, корректность размерных цепей и др. информацию, которая при 2D-проектировании не могла быть получена. Наличие виртуальной модели изделия позволяет провести в CAE-средах весь комплекс вычислительных экспериментов по моделированию рабочих процессов в изделии и его элементах, чтобы не только оценить их работоспособность по всем показателям, но и добиться существенного улучшения массогабаритных характеристик за счет оптимизации ключевых размеров деталей и сборочных единиц. По существу на этапе проектирования изделия обеспечиваются его работоспособность и качество[7]. Ведь 3D-модель является не только наиболее полным, точным и наглядным носителем информации о проектируемом изделии, но и служит основным звеном в развитии имитационных методов, симуляции механообработки деталей на станках с ЧПУ, анализа конфликтных ситуаций в сборках и пр.
Несмотря на значительное количество исследований по методике преподавания графических дисциплин, технология обучения на основе 3D-моделирования требует особого внимания и отдельного научного исследования. Развитие и применение современных графических пакетов при изучении графического цикла дисциплин обусловлены спецификой предмета, требующей развитого пространственного мышления, умений воспринимать и производить графическую информацию. Методологической основой классического курса начертательной геометрии является метод проекций. Трехмерный объект замещается двухмерными плоскостными изображениями - проекциями. Далее происходит двухмерное преобразование проекций для решения геометрических задач, и затем синтез пространственной модели в форме ее плоского изображения [1].
При данном подходе представление пространственных образов и оперирование этими образами в процессе решения задач вызывает у студентов затруднения, обусловленные психологическими особенностями визуализации информации, восприятия пространства, особенностями запоминания образов.
Пространственное мышление, как и любую другую способность человека, нужно и можно развивать. С помощью трехмерного моделирования в среде графических пакетов задача визуального представления геометрических объектов значительно упрощается.В целях внедрения новых методик преподавания хотелось бы рассмотреть учебно-методический комплекс по дисциплине «Начертательная геометрия» разработанный Государственным техническим университетом для направлениям:«технология, оборудование и автоматизация машиностроительного производства» и «автоматизация и управление», основанный на новой логике изучения графических дисциплин с использованием технологии 3D-моделирования. Структура и содержание учебно-методического комплекса представлены на рисунке 1.При разработке структуры занятий, подготовке учебно-методического комплекса отправной идеей являлось использование трехмерного моделирования не только для демонстрационного показа, но и как активного инструмента для решения графических задач.
Данный подход к организации занятий по графическим дисциплинам позволяет учитывать как развитие профессиональных компетенций будущего инженера, так и перспективные потребности рынка труда.
В процессе обучения студенты осознают, что объёмная модель определяет геометрию всей спроектированной поверхности детали. Объёмное геометрическое моделирование основывается на создании поверхностей, образующих тело, так называемое поверхностное моделирование, либо на создании геометрических тел - твёрдотельное моделирование [2].
Последние версии компьютерных систем геометрического моделирования отвечают общим характеристикам: все они являются прикладными программами, работающими под управлением операционной программы Windows; большинство систем располагает возможностями объёмного параметрического моделирования, исполнением конструкторских документов в соответствии с требованиями ЕСКД, имеют развитые библиотеки стандартизированных изделий и встроенные языки программирования. В учебном процессе Волгоградского государственного технического университета используется AutoCAD. В настоящее время это - одна из мощных CAD-систем для разработки конструкторской документации практически в любой сфере промышленного производства, позволяющая создавать трёхмерные модели любого уровня сложности и чертежи на основе проекций трёхмерных моделей.
При разработке учебно-методического комплекса в рабочую программу дисциплины «Начертательная геометрия» были внесены изменения. Содержательно-логическая структура учебного материала представлена следующими укрупненными дидактическими единицами:
основы работы с графическими пакетами;
принципы работы с координатными системами и объектами (точка, прямая, плоскость) (в наглядной динамичной форме отражаются изменения характеристики изображения);
принципы формообразования поверхностей, многообразие способов их построения;
решение позиционных задач на взаиморасположение объектов относительно друг друга в пространстве;
определение линий пересечения поверхностей, линий видимости.
Содержание учебно-методического комплекса включает в себя теоретический и практический модули, основанные на технологии 3D-моделирования. Качественному восприятию учебного материала способствуют такие его основные характеристики, как структурность, целостность, предметность [3]. Разработка и построение лекционного материала и заданий для практического модуля выполнялись с учетом зрительного восприятия информации. В каждой лекции использовались слайды, демонстрационные ролики и другие материалы, системно организующие учебный материал и формирующие графические компетенции. Применяя полученные знания на практике, у студентов закладываются основы конструктивного использования и освоения компьютерной технологии геометрического моделирования, и, как следствие, возрастает мотивация к изучению дисциплин графического цикла.
Р
исунок
1.