Проблема качества графической подготовки студентов в техническом вуз

ОБ ОПЫТЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ СТУДЕНТОВ-ЭНЕРГЕТИКОВ

Л.А. Смирнова, Д.Т. Мусин, Ф.Р. Сиразутдинов

Казанский государственный энергетический университет, Казань

Рассматривается опыт использования цифровых технологий моделирования, прототипирования в научно-исследовательской работе студентов. Студент, активно участвующий в НИРС, приобретает опыт работы в команде (в том числе виртуальной), способность разрабатывать и оформлять конструкторскую документацию, использовать организационно-управленческие навыки в профессиональной деятельности и др.

Ключевые слова: научно-исследовательская работа студентов, проекты, конструкторские документы, команда, цифровая модель.

ABOUT THE EXPERIENCE OF THE USE

OF DIGITAL TECHNOLOGIES IN THE STUDENTS

RESEARCH WORK

L.A. Smirnova, D.T. Musin, F.R. Sirazutdinov

State Power Engineering University, Kazan

This report examines the experience of the use of digital simulation and prototyping technology in the research students work. The student is actively involved in the research students work, acquires experience in the teamwork (including virtual work), ability to develop and execute the design documentation, to use managerial-organizational skills in their professional work, and other.

Keywords: scientific research, students, project, design documents, command, digital model.

С каждым годом растет число создаваемых в России наукоемких производств, интеграция которых в мировое информационное и образовательное пространство сопряжена с поиском перспективных образовательных технологий формирования специалиста.

Подготовка инновационных специалистов, способных быстроитворчески воспринимать и применять новые знания, выполнять научно-иссле- довательские и проектно-конструкторские работы, управлять сложными техническими системами, адаптироваться к условиям рынка, возможна при тесном взаимодействии инженерного образования, науки и промышленности [1].

321

Учитывая, что в современном производстве появился термин «опережающие технологии», под которыми понимают принципиально новые технологии, обеспечивающие лидерство на мировом рынке, новое инженерное образование должно обгонять опережающие технологии. Необходимость создания инновационной системы высшего образования, ориентированной на эти технологии, приобретает все большее значение и является важным компонентом профессиональной подготовки специалиста.

Одним из эффективных путей в достижении поставленной цели является привлечение студентов к научно-исследовательской работе, что отражено в федеральных государственных образовательных стандартах (ФГОС) [2] и является обязательной составляющей модели специалиста высшего профессионального образования.

Научно-исследовательская работа студентов (НИРС) является одной из важных форм учебного процесса, позволяющей повысить качество подготовки на всех уровнях образования, начиная с первого курса и завершая магистратурой. Согласно [3] под НИРС подразумевается «…совокупность мероприятий, направленных на освоение студентами впроцессе обучения по учебным планам и сверх них методов, приемов и навыков выполнения научно-исследовательских работ, развитие способностей к научному итехническому творчеству, самостоятельности иинициативы».

Студенты включаются в данную работу при условии успешного выполнения учебного плана. Руководитель работы тесно сотрудничает с профилирующими кафедрами и владеет проблемами, решение которых будет интересным как для профилирующих кафедр, так и для освоения студентами некоторых профессиональных задач.

Основные цели НИРС – формирование и развитие творческих способностей студентов; поиск и совершенствование форм привлечения студентов к научной, конструкторской, технологической, творческой и внедренческой деятельности; обеспечение единства учебного, научноисследовательского, воспитательного процессов для повышения про- фессионально-технического уровня подготовки специалистов [3].

Традиционными считаются следующие формы НИРС: написание рефератов, научных статей, подготовка студентов к выступлению с докладами, организация участия студентов в предметных международных и всероссийских олимпиадах, выполнение заданий, содержащих элементы научных исследований.

322

Однако широкое применение цифровых технологий в системе образования и профессиональной подготовке студентов вывело, по существу, НИРС на новые уровни в коммуникациях (позволяют взаимодействовать и решать задачи совместно, виртуально общаться), визуализации (3D-тех- нологии способствуют реальному восприятию объектов материального мира), материализации (3D-принтеры, фрезерные станки обеспечивают выход из плоского мира и учат материализации сложных вещей).

Использование цифровых технологий, безусловно, способствует развитию творческой инициативы у студентов. Выполнение творческих проектов методами цифрового моделирования с последующим получением реального прототипа становится для студентов очень интересным процессом, что способствует их привлечению в различные научные кружки, межкафедральные научные центры.

Одним из примеров может служить творческий проект «Трехмерная сцена учебного полигона “Подстанция 110/10 кВ”» (рис. 1), выполненный командой студентов 1 и 2-го курсов при совместном участии кафедр «Инженерная графика», «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем», «Электроэнергетические системы и сети».

В рамках реализации этого проекта на первом этапе предполагалось создание цифровых 3D-моделей оборудования подстанции: трансформаторов, металлоконструкций (опор), натяжной арматуры и трехмерной сцены подстанции.

Рис. 1. Трехмерная сцена учебного полигона «Подстанция 110/10 кВ»

323

Для создания цифровых моделей оборудования подстанции была использована конструкторская документация, используемая при разработке учебного полигона «Подстанция 110/10 кВ», любезно предоставленная кафедрой«Релейнаязащитаиавтоматизацияэлектроэнергетическихсистем».

Основными результатами являются разработанный аппарат геометрического моделирования и методика построения плоскостных чертежей из 3D-модели применительно к моделированию трансформаторного оборудования.

Проект был выполнен в системе «Компас-3D V15» (разработчик – ЗАО «АСКОН», г. Санкт-Петербург). Система относится к категории CAD/CAM/CAE/PDM-систем среднего класса. Большим плюсом системы является поддержка как отечественных (ЕСКД, СПДС и т.д.), так

имеждународных стандартов (ИСО) при выполнении чертежей и подготовке конструкторской документации.

Система «Компас-3D V15» поддерживает классический процесс трехмерного параметрического проектирования – от идеи к ассоциативной объемной модели, от модели к конструкторской документации.

Использование такого подхода можно рассматривать как один из способов организации творческой деятельности студентов для решения новых для них проектных задач. При этом важно отметить большой интерес студентов, их стремление к самостоятельному поиску конструкторских решений, умение работать в виртуальной команде. Указания преподавателя, скорее, побуждают их к проявлению творческих способностей.

Дальнейшие этапы реализации этого проекта включали 3D-прото- типирование оборудования полигона с последующей сборкой в виде макета подстанции, который был представлен в качестве экспозиции (рис. 2) на IV Международном форуме по энергоэффективности и энергосбережению ENES 19 ноября 2015 г. в г. Москве.

Одним из перспективных направлений развития НИРС на основе цифровых технологий является разработка анимационных роликов для проведения виртуальных лекций, лабораторных работ, практических занятий на профилирующих кафедрах.

Для активизации научно-исследовательской работы студентов необходимо увеличение практической значимости студенческих работ, предоставление возможности публикации результатов исследований в научных журналах и сборниках, установление регулярных контактов со студентами

ипрофессорами научных центров и вузов, участие в различного уровня выставках, отборнаиболееспособныхстудентовдлянаучнойдеятельности.

324

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА БАКАЛАВРОВ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Л.С. Соколова

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва

Новые компьютерные технологии моделирования однозначно обозначили отказ от классического чертежа в современном наукоемком производстве. Уход от чертежа снял задачу геометрического обеспечения обратимости изображения. Таким образом, открылась возможность наглядного изучения геометрии для бакалавриата, а для кафедр графических дисциплин – сохранить для себя геометрию как научное направление деятельности. На смену потерявшим актуальность геометрическим дисциплинам, «обслуживавшим» чертеж, предложена «Наглядная инженерная геометрия для бакалавриата». Проект ее программы приведен в данной статье.

Ключевые слова: геометрия, чертеж, электронная модель, многомерное пространство, учебнаяпрограмма.

GEOMETRIC BACHELORS EDUCATION

IN MODERN CONDITIONS

L.S. Sokolova

Bauman Moscow State Technical University, Moscow

New computer modeling technology has definitely marked a departure from classical drawing modern high-tech production. Care drawing has removed the problem of geometric ensuring turn-on of the image. Thereby, opened to visually examine the geometry for the bachelor and for the departments of graphic disciplines – to retain for themselves the geometry as a scientific activity. The AGR is well outdated geometric disciplines, “obslugiwac-PWM” drawing, proposed a “Visual engineering geometry for bacalov the Secretariat”. The draft programme presented in the article.

Keywords: geometry, drawing, electronic model, a multidimensional space, the curriculum.

Чертеж Монжа, как известно, представляет собой наиболее распространенный вид обратимого изображения. Обратимость изображения стала тем определяющим достоинством классического чертежа (т.е. построения изображения путем вычерчивания на листе бумаги), которое позволило ему обеспечить техническую революцию в мире вплоть до середины ХХ в. Отвечая на потребности инженерного образования этого времени, кафедры графических дисциплин при обучении студентов в технических вузах ставили перед собой в качестве приоритетной цели научить студентов читать и создавать чертежи.

326

Вместе с тем сам способ получения изображения путем прямоугольного проецирования на две (или три) взаимно перпендикулярные плоскости проекций сразу же лишил эту геометрическую модель одной из наиболее привлекательных особенностей геометрии, а именно наглядности изображения. Известные трудности, возникавшие на этом пути, особенно при освоении начертательной геометрии как теоретической основы построения чертежа, всегда оставались предметом для пристального внимания и изучения со стороны преподавателей. Для выявления трудностей, возникающих у студентов при изучении начертательной геометрии, использовали различные методы исследования: наблюдение, беседы, анкетирование. Однако среди всех подлежащих выявлению причин никогда не фигурировала потеря наглядности изображения, а для выявления ее влияния на освоение предмета стоит обратиться к результатам исследования физиологов о зрительном восприятии информации о внешнем мире.

Оказалось, что наша зрительная система приспособлена к восприятию объемных предметов реального мира. Ставка на развитие пространственного воображения при изучении проецирования на плоскость лишилась всякой реальности после того, как физиологи установили, что изображение не отображается в мозге как в фотоаппарате, а конструируется мозгом из сенсорных образов зрения по правилам и алгоритмам, приспособленным для восприятия объемных предметов реального мира. Таким образом, объективные трудности при изучении изображений на плоскости возникают именно на уровне зрительного восприятия, а не при обработке изображения мозгом. Когда вместо трехмерного объекта обучающемуся на уровне зрительного восприятия предлагается двухмерное изображение, это приводит к возникновению психологического барьера для восприятия, так как это изображение не подвергается последующей обработке. Преодоление трудности изучения двухмерного геометрического пространства возможно лишь путем запоминания путем монотонного обучения на всем его протяжении, зависящем от степени и интенсивности этого обучения, и быстро утрачивается при его прекращении.

Решить проблему одновременного обеспечения и обратимости, и наглядности изображения удалось с созданием компьютера путем их раздельного представления в одном техническом приборе. При этом обратимость изображения обеспечивается математическими методами, а наглядность – геометрическим моделированием на основе создания 3D электронной модели.

327

3D электронная модель становится первичным понятием в содержании программ по геометро-графической подготовке студентов в техническом вузе, ибо выводит геометрическое моделирование на качественно новый уровень – уровень трехмерного электронного моделирования. Отказ от чертежа как в его классическом, так и в электронном варианте исполнения из практической деятельности снимает задачу научить студентов составлению и чтению чертежа. Вместе с этим исчезает и задача изучения теоретических основ его составления. Однако, исходя из традиции, кафедры графических дисциплин технических вузов продолжают ставить перед собой именно эту задачу в качестве приоритетной цели.

Современные компьютерные средства обеспечивают высокую наглядность при 3D электронном моделировании объекта за счет создания трехмерных компьютерных моделей, варьирования цветов, динамики и других привлекательных особенностей компьютера. Все это является хорошим стимулом для развития пространственного воображения студентов, ибо наиболее полно отвечает эволюционному развитию человеческого мозга, приспособленного для восприятия трехмерного окружающего мира.

Кафедры графических дисциплин технических вузов в условиях современной реальности оказались перед серьезным вопросом: что предложить современному молодому человеку, уже достаточно свободно владеющему компьютером и готовящему себя к серьезной профессиональной деятельности, на начальном этапе его пути к приобретению необходимых знаний, умений, навыков и опыта владений ими? Новые ФГОС ВПО провозгласили свободу в выборе этих путей.

Нельзя не обратить внимание и на обратную сторону компьютеризации в обучении. Как отмечают преподаватели вузов, повсеместное внедрение и широкое использование компьютерной техники в повседневной жизни породили проблему нежелания учащимися познавать научные основы изучаемой профессии, некоторые теоретические разделы осваиваемого материала и т.п. Интерес к общетеоретическим вопросам всегда отличал русскую научную школу от узкопрагматического образовательного обучения за рубежом. В условиях свободы выбора учебных программ становится актуальным обращение к современным теориям, способным вызвать интерес у молодого поколения.

В математике и научных исследованиях встречаются две тенденции: тенденция к абстракции и тенденция к наглядности, т.е. стремле-

328

ние «…к живому пониманию объектов, их внутренних отношений» (Д. Гильберт). Среди абстрактных обобщений геометрии наиболее интересно представление о многомерности пространства. Современные взгляды на абстрактный многомерный мир базируются на обобщении законов трехмерного мира и доступны для восприятия наглядным способом изложения с проверкой основных постулатов через частные реализации на компьютерных моделях трехмерного пространства. При этом абстрактно-логические построения геометрии расширяют область геометрических приложений, что нацелено на будущую деятельность молодых инженеров.

Отказ от обеспечения обратимости изображения способами построения чертежа Монжа открывает для кафедр графических дисциплин возможность наглядного изучения геометрии, сохранив тем самым для себя геометрию как научное направления деятельности. При этом используется та важная для учебного процесса особенность геометрии, как возможность ее изучения с наглядной стороны, без введения в рассмотрение деталей абстрактных теорий и выкладок, что позволит быстрее ввести студента в круг изучаемых геометрических идей. Вместе с тем в геометрии всегда сохраняется традиционный интерес к таким разделам, как плоские и пространственные кривые линии, поверхности, позиционные и метрические задачи, входящие в теоретическую подготовку любого инженера машиностроительного профиля.

Наглядный подход к изучению геометрии и современный взгляд на многомерность пространства стали составляющими предлагаемой новой учебной дисциплины для первого уровня подготовки (бакалавры и специалисты) – «Наглядная инженерная геометрия», проект программы которой представлен для обсуждения на данной конференции. Эта программа, по нашему мнению, способна ответить на потребности современной геометро-графической подготовки в части смещения акцентов с графических на геометрические. Она может стать связующим звеном, обеспечивающим непрерывность обучения геометрии от школьной стереометрии через построение сохраняющих высокую наглядность электронных геометрических моделей фигур к конструированию изделий в 3D-пространстве.

Была опробована и подтверждена экспериментально возможность встраивания наглядной геометрии и многомерного пространства в современные учебные программы по геометрической подготовке будущих инженеров [1], подтвердившая, что на этой основе может быть построе-

329

на новая учебная дисциплина по геометрической подготовке будущих бакалавров.

Укажем на еще одну причину отказа от чертежа в современной практической деятельности. Как отмечают производственники, создание чертежа, даже в электронном исполнении, мало повлияло на качество производимых изделий и в общем цикле изготовления не принесло сколько-нибудь заметного сокращения срока выпуска изделий. Поскольку конструктор и технолог работают в разных САПР, трехмерная конструкторская модель и технологический чертеж присутствуют одновременно в процессе изготовления изделия, что в общем случае разрушающе действует на однозначность соответствия деталей чертежу, из-за чего не могут эффективно использоваться такие современные многокоординатные системы как ЧПУ, КИМ, 3D-сканер.

Трехмерная модель, в отличие от чертежа, однозначно представляет геометрию, так как несет в себе информацию о координатах любой точки на поверхности, а не только для эксклюзивных сечений. Однозначность объемной модели, по сравнению с чертежом, является залогом безошибочного взаимодействия всех участников процесса проектирования и подготовки производства, поэтому идеология систем объемного моделирования базируется на объемной мастер-модели. Отсюда максимальный эффект от геометрического моделирования может быть достигнут при условии, что оно включает в себя не только конструкторское, но и технологическое моделирование, т.е. речь идет об интегрированных САD/CAM-технологиях. Однако кафедрам инженерной графики, на что справедливо обращает наше внимание А.О. Горнов [2], еще предстоит обозначить свои взгляды на 3D-технологии моделирования, на выработку основ понимания обучаемыми целей анализа и синтеза геометрических моделей. Простое трансформирование возможных современных компьютерных пакетов программ превратит научные кафедры в образовательные центры инновационного обучения.

Подводя итог всему сказанному выше, отметим, что предлагается базовый курс по геометро-графической подготовке бакалавров на кафедрах «Инженерная графика» в высших технических учебных заведениях построить на основе изучения двух дисциплин:

1)«Наглядная инженерная геометрия»;

2)«Основы 3D-моделирования на базе 3D электронной модели». Таким образом, если необходимость обеспечения обратимости изо-

бражения привела к созданию классического чертежа и появлению науч-

330