249

г

д

Рис. 2 (окончание). Макеты: г – бронетранспортера и транспорировочного контейнера для него; д – стержневой конструкции

МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ КУРС ТЕОРИИ ПОСТРОЕНИЯ ЧЕРТЕЖА (ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ)

Потребность модифицировать структуру и содержание традиционных курсов в рамках дисциплины «Инженерная графика» (автор расширительно трактует ее границы) определяется не только периодическими изменениями стандартов и влиянием компьютерной графики с ее широчайшими возможностями анализа прототипов геометрических моделей и синтеза новых вариантов формы. Постоянное обновление предполагает и естественная потребность и необходимость переосмысления с течением времени и в новых условиях прошлого опыта [1, 2, 3, 8]. Кроме того, тенденции и практика консолидации информации о техническом объекте в форме электронной 3D-модели требует поиска смысловых, понятийных и терминологических инвариантов для компьютерной

111

elib.pstu.ru

итрадиционной графики. Роль последней меняется, но это не означает забвение, а предполагает придание нового звучания ее опыту, возможностям, методам, во многом определившим методическое лицо КГ.

ВНИУ МЭИ в подавляющем числе институтов (ранее факультетов) дисциплина реализуется двумя курсами – «Теория построения чертежа» (ТПЧ)

и«Основы разработки конструкторской документации» (ОРКД). (Лишь на одном в явном виде выделен курс начертательной геометрии).

Первый (ТПЧ) близок к известному «проекционному черчению» с включением отдельных тем начертательной геометрии и реализуется как в традиционных технологиях, так и базе AutoCAD. Второй курс (ОРКД), который в России почему-то чаще называют «инженерной графикой», хотя это понятие более широкое, – есть традиционное «машиностроительное черчение» – тоже преподается в двух технологиях. Как ТПЧ, так и ОРКД имеют некоторую адаптацию

кнаправлениям подготовки отдельных институтов университета. Модернизация и переход к любым содержательным новациям при больших потоках очень непростое дело. Необходимо менять методическую базу, готовить к другому содержанию преподавателей, ведущих практические занятия. Да и в преддверии масштабных изменений, в любом случае, требуется многократная практическая проверка.

Поэтому модернизированный курс ТПЧ c 2008 г. периодически проходит проверку и уточнение в маленьких группах целиком, а в отдельных фрагментах в рамках традиционного содержания – постоянно. Для одной группы сформированы отдельный комплект заданий, программа и, по возможности, отдельно от основного потока излагается теоретический материал. Думаю, что обоснование отдельных аспектов содержания и комментарии к ним представляют больший интерес, чем перечисление тем курса (модулей). Поэтому прокомментирую особенности трех частей курса:

•Введение. Общие вопросы техники.

•Геометрические модели технических объектов; геометрические принципы простановки размеров; формирование технических изображений.

•Технические изображения и чертежи моделей типовых деталей. Введение, в порядке пропедевтики, знакомит с некоторыми общими харак-

теристиками искусственной составляющей среды обитания человека.... Совокупность всех объектов техники, технологий, сырья и отходов образует множество, подобное множеству объектов живой природы. Причем число объектов искусственной природы уже преобладает (по Б.И. Кудрину [4]) в этом мире. Обоим множествам свойственны одинаковые категории, такие как вид и особь – отдельный представитель вида. Их описывают аналогичные по структуре классификации и видовые распределения, для которых можно указать признаки устойчивости. Устойчивым по структуре множествам присущи сравнительная многочисленность видов с малым числом особей (в техноценозе это сложные

112

elib.pstu.ru

технические объекты) и малочисленность видов с большим количеством особей (например, стандартные крепежные детали). Устойчивы био- и техноценозы при определенной гармонии между количеством видов и численностью их особей. На этой основе поясняется, в том числе, смысл и назначение, структура классификации технических объектов (ТО), принятая в ЕСКД.

Геометрическая форма технических объектов (основной предмет интереса дисциплины) рассматривается и анализируется как основной выразитель (носитель) его функций. При этом данные функции трактуются инвариантно к любому ТО. Такая инвариантная трактовка, как известно, состоит в том, что отдельные элементы геометрической формы любого ТО обусловлены одной или совместно: рабочей (Р) функцией, непосредственно реализующей назначение ТО; адаптивной (А) – функцией приспособления к другим ТО, так или иначе сопрягаемым с данным ТО, среде и человеку; технологической (Т), отражающей способ реализации (технологию) формообразования, и коммуникативной (К), обусловленной необходимостью унификации и стандартизации части элементов ТО, сохранения традиций формообразования и т.п. Эта информация позволяет оценивать и обсуждать со студентами функционально-геометрический портрет моделей, завершая элементарной иллюстрацией связи работоспособности ТО (прочностью, жесткостью, надежностью и устойчивостью формы) с его геометриeй.

Техника выполняет и гуманитарную функцию, о которой редко идет речь. Причем выполняет ее во многом эффективнее непосредственно гуманитарных, субъективизированых средств и методов (искусств). Да и средства реализации функций и произведений искусств – сплошь ТО. Это твердые и электронные носители изображений и средства их создания, музыкальные инструменты, средства записи и воспроизведения, материалы и т.д. Приводятся примеры гуманитарной роли ТО в сфере жизнеобеспечения людей и коммуникаций между ними. Небольшой абзац посвящен специфике трактовки красоты в отношении произведений искусства и в отношении продуктов инженерии, взаимоотношениям образов произведений искусства и техники с их материальными носителями.

Сразу же заметим, что введение не требует больших временных ресурсов, это всего около трех процентов времени курса. При этом студенты получают некоторую ориентацию в образовательном пространстве относительно направлений межпредметных связей дисциплины. При этом частично снимается проблема, о которой лучше не скажешь, чем словами английской пословицы: «Нельзя даже заблудиться, если не знаешь, куда идешь».

Вторая часть курса ТПЧ начинается с основ анализа геометрии ТО и прежде всего видов геометрических моделей: сплошных, поверхностных, каркасных и их базовых составляющих соответственно: телах, поверхностях, линиях и точках. Анализируется их роль в процессе анализа и синтеза формы ТО, условия их совместности. Примеры анализа геометрической формы сопровожда-

113

elib.pstu.ru

ются символической записью, принятой при анализе множеств. Принципиально, что качественные признаки формы анализируются неразрывно с количественными характеристиками. Для базовых поверхностей это размеры формы, а для их совокупности еще и размеры взаимного положения в объектной ортогональной системе координат (ОСК; UCS). Этим подчеркивается независимость характеристик формы от положения в пространстве.

Размеры взаимного положения базовых поверхностей анализируются относительно вводимого для этой цели понятия показателей положения (ПП) [7]. В частности, для плоскости показателем положения продуктивно принять совокупность принадлежащей ей точки и направление нормали; для сферы, естественно, – положение ее центра и т.д. На этой основе четко формулируется геометрический принцип параметризации (или подход), который в курсе ОРКД дополняется конструктивно-технологическим принципом. Показатели положения выступают в геометрическом подходе как объекты координации, а часть из них – и как локальные пространства координации других ПП, которые координируются относительно друг друга. При таком подходе легко поясняется логика отсутствия «по умолчанию» размеров относительного положения параллельных и перпендикулярных плоскостей, соосных поверхностей вращения и т.п. редко оговариваемой и поясняемой, даже в соответствующей учебной литературе, условностью. Такой подход позволяет во многом снять проблемы с простановкой размеров в студенческих работах (размеры между очерками поверхностей, относительно характерных точек проекций их линий пересечения и т.п.).

Формирование первых 2D-изображений основано на координатно-проек- ционной трактовке путем поочередного исключения одной координаты из описания модели (здесь не имеется в виду электронная модель) в ОСК или проецированием ее по линии базиса этой координаты на плоскость двух других координат. Обратим внимание, что эти первые изображения «формируются» с введением более общего определения линейного масштаба, а именно – М = еч/ен·Jе, где eч – мера какого-либо линейного отрезка на чертеже, а eн – его же мера в натуре; Jе – показатель искажения линейной меры при ортогональном проецировании. Полезность такого уточнения обосновывается ниже.

Позиционные и метрические характеристики проекций осей ОСК рассматриваются инвариантно к системе ее ортогональных проекций и к ее монопроекции, обычно трактуемой как особая – аксонометрическая. (На возможность единой трактовки этих проекций в свое время обратила внимание автора доц. Л.Г. Головина). Таким образом, эти проекции не обособляются, а объединяются общими свойствами ΣJ2x,y,z = 2 и, соответственно, однозначностью углов между проекциями осей ОСК при двух любых заданных показателях искажения. Для доказательства этого базового соотношения и приема определения углов используется лишь теорема Пифагора (без привлечения тригонометрии). Свойства ортогональных проекций осей ОСК на плоскости абсолютной мировой сис-

114

elib.pstu.ru

темы координат (или любой другой ортогональной) фиксируются квадратной матрицей, удобной для запоминания и воспроизводства [5, 6]. Такой подход позволяет единообразно кодировать ортогональные проекции или их системы совокупностью значений показателей искажения в виде J(Jx; Jy; Jz). Например стандартные: изометрия J(0,82; 0,82; 0,82); горизонтальная диметрия J(1; 1; 0) и т.п. При этом единообразная трактовка масштаба по любой оси базиса и любой совокупности Jx,y,z не вызывает затруднений. Он будет одинаков по всем осям и изображению в целом.

Кроме того, такой поход позволяет единообразно трактовать 2D-изображе- ния модели на плоскости монитора как полученные «проецированием» (для линейных отрезков – умножением на косинус соответствующего угла).

Закрепленные в ГОСТе ортогональные плоскости проекций – дань исторической традиции. АСК удобна и незаменима для чисто архитектурных задач, постановка которых связана с передачей не только формы, но и пространственной ситуации. Здесь наблюдатель «как бы ходит» вокруг объекта, а в первом случае разглядывает его на фоне одной плоскости (лучше бы через…), вращая (и (или) перемещая) модель вокруг одной (двух или трех) осей ОСК. Так же как формируется изображение на основе электронной трехмерной модели.

Свойства ортогональных проекций ОСК используются при трактовке основного приема анализа и построения проекций окружности данного диаметра, лежащей в плоскости произвольного положения относительно АСК. Поскольку ранее показателем положения плоскости принята нормаль и точка, как известно, проекция диаметра, расположенная перпендикулярно заданной проекции нормали, будет равна этому диаметру. Если ось x0 ОСК расположена по диаметру окружности, а ось z0 – по нормали, то величина проекции диаметра, определяющего малую ось проекции окружности, находится с помощью соотношения квадратов показателей искажения проекций осей ОСК. Направление этой проекции, естественно, совпадает с проекцией нормали – это проекция оси y0 ОСК. Условности, связанные с приведенными и стандартизованными проекциями окружностей и построения хорд и сопряженных диаметров здесь, конечно, комментариев не требуют. Но трата времени на них (это «стандартизованные» изображения) вызывает не только сомнение, но и возражение.

В традиционном разделе, посвященном определению проекций линий пересечения базовых поверхностей, на известных частных случаях акцент не делается (это несколько экономит и время). Cразу обсуждаются удобные по отношению к двум заданным – третьи поверхности, которые дают удобные для построения проекции линий пересечения с исходными поверхностями. В типовых частных случаях «посредник» ведь тоже присутствует, но не явно.

115

elib.pstu.ru

В контексте преобразования проекций основной акцент сделан на преобразовании одного вида проекционного изображения в другой. При наличии времени рассматривается и построение перспективной аксонометрии по ка- ким-либо ортогональным проекциям, достаточным для этого. Преобразования проекций с целью обеспечить удобство решения сформулированной в проекциях задачи на «пересечении поверхностей» практически не рассматриваются. Вместо этого акцент делается на анализ задачи в пространственном представлении и ее последующую рациональную проекционную формулировку.

Косоугольное и центральное проецирование иллюстрируются фрагментарными примерами построения теней и как один из возможных приемов при решении позиционных задач.

Третья часть (с 11-й недели) посвящена анализу и типизации совокупности изображений и размеров, необходимых и достаточных для передачи формы и метрики моделей типовых деталей. Построение совокупности видов вне связи с размерной категорией непродуктивно, так как размеры формы базовых поверхностей снабжаются знаками, помогающими читать форму и тем самым влиять на состав совокупности технических изображений. Выделяются геометрические модели плоских; плоско-гранных деталей; типа тел вращения; с гаечной формой; с резьбовыми поверхностями; типа валов; корпусных с внутренним строением и т.д. Для передачи формы и метрики каждой из групп типовых моделей деталей характерен рациональный набор (сочетание) стандартных технических изображений: различных видов, разрезов, сечений. Начальные представления об этих рациональных наборах студенты получают на основе анализа соответствующих примеров, который предшествует рекомендациям по синтезу чертежа или содержанию электронной модели. Это еще не чертежи и ЭМД деталей, а модели «второго приближения». В этой части спецификой набора моделей уже можно адаптировать ТПЧ к направлению подготовки данной учебной группы. В следующем семестре в курсе ОРКД студенты уже оперируют при анализе материальных моделей деталей, чертежей и схем сборочных единиц их «последним» приближением.

Кроме общетехнических форм ТО, например крепежа и валов, ряд типовых форм присущ, как известно, отдельным отраслям техники. Наряду с формой принадлежность модели отраслям техники «выдают» и материалы. Конечно, не ставится цель жестко коррелировать эти аспекты, но их игнорирование, вместо подачи в качестве сопутствующей информации, представляется более нецелесообразным. Модель может быть выполнена из широкого спектра материалов, с которыми студенты знакомятся в практической части курса, используя базы данных с описанием их характеристик и сфер применения.

116

elib.pstu.ru

Реализация курса в практической части будет отписана в нашей второй статье в настоящем сборнике («Практическая часть модифицированного курса теории построения чертежа»).

Список литературы

1.Горнов А.О. К проблеме совершенствования содержания дисциплины «Инженерная графика» // Информационные средства и технологии: тр. Между-

нар. науч.-техн. конф. – М.: Изд-во МЭИ, 2007. – Т. 1. – С. 190–193.

2.Горнов А.О., Губарев А.Ю., Захарова Л.В. Модернизация содержания практических работ по курсу «Теория построения чертежа» // Информационные средства и технологии: тр. ХVII Междунар. науч.-техн. конф. – М.: Издатель-

ский дом МЭИ, 2009. – Т. 3. – C. 98–104.

3.Горнов А.О., Миронова Н.Г. Элементы логики деятельности и проектирования в методике дисциплины «Инженерная графика» // Международный форум информатизации (МФИ-1999). – М.: Янус-К, 1999. – Т. 2. – С. 86–90.

4.Кудрин Б.И. Античность. Cимволизм. Технетика. – М.: Электрика, 1995. – 120 c.

5.Горнов А.О., Радионова Л.К., Родин А.Б. Характеристики ортогональных проекций осей объектной ортогональной системы координат на плоскости другой пространственной ортогональной системы // Международный форум информатизации (МФИ). – М.: Янус-К, 1997. – Т. 2. – С. 180–186.

6.Горнов А.О. Графическое построение проекций объектной ортогональной системы координат на плоскости АСК // Международный форум информа-

тизации (МФИ). – М.: Янус-К, 2000. – Т. 2. – С. 157–160.

7.Горнов А.О., Губарев А.Ю., Захарова Л.В. Основания для алгоритмизации простановки размеров на чертежах // Информационные средства и технологии: тр. ХVIII Междунар. науч.-техн. конф. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. –

Т. 2. – C. 206–214.

8.Горнов А.О. О непрерывности некоторых понятий в курсе начертательной геометрии // Международный форум информатизации (МФИ-2003). Информационные средства и технологии: тр. междунар. науч.-техн. конф. – М.:

Янус-К, 2003. – Т. 2. – C. 93–96.

117

elib.pstu.ru

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРОВ-СТРОИТЕЛЕЙ В УНИВЕРСИТЕТАХ РОССИИ И ГЕРМАНИИ

Существовавшая в России до настоящего времени система технического образования в строительстве предполагала подготовку специалистов по двум направлениям: техник-строитель и инженер-строитель.

В соответствии с существовавшими стандартами среднего и высшего технического образования были приняты законы РФ, которые определяли должностные обязанности техника и инженера. Переход высшего образования в России к двухуровневой системе «бакалавр – магистр» выявил не только проблемы будущего трудоустройства специалистов, получающих образование по этой системе, но и технические проблемы перестройки системы образования.

Компетентностный подход, заявленный в новых образовательных стандартах, предполагает иные подходы к организации и проектированию основных образовательных программ (ООП). Для обеспечения требуемого качества образования необходимо выстроить образовательную программу под запланированный результат – компетентностную модель выпускника, определяющую продуктивное протекание каждого процесса, реализующего ООП. Проектирование компетентностно-ориентированной образовательной программы неизбежно связано с разрешением противоречия между интегральным результатом образования и предметно-дисциплинарной формой организации образовательного процесса [1], при которой обучение представляет собой совокупность предметных подготовок. Снятие этого противоречия возможно при переходе от дисциплинарной модели процесса обучения к модульной структуре учебного процесса, где в качестве модулей предлагается рассматривать как предметные модули в рамках традиционной дисциплинарной модели, так и некие метадисциплины [2].

Объективные трудности реализации модульной технологии в рамках традиционной дисциплинарной модели обучения сделали насущной потребность в изучении имеющегося в европейском образовании опыта перехода к двухуров-

118

elib.pstu.ru

невой системе обучения. До подписания Болонского соглашения во многих странах имелась сложившаяся система подготовки инженеров-строителей, которая совершенствовалась в течение столетий. В Германии и России существовал идентичный подход к созданию технической документации (чертежей и спецификаций), применялись практически одинаковые методы кинематических, прочностных и тепловых расчетов, а вся система высшего образования в строительстве базировалась на подготовке дипломированных инженеров по определенным специальностям строительного дела.

Имеющая глубокие исторические корни, немецкая система технического образования всегда являлась общепризнанным эталоном подготовки дипломированных специалистов. В соответствии с требованиями Болонского соглашения были реформированы курсы обучения в германских вузах, создана ступенчатая система обучения, позволяющая проводить международные сравнения и дающая право закончить обучения со степенью бакалавра или магистра. Для перехода на двухуровневую систему обучения потребовался переходный период, который в Германии к настоящему времени уже завершился.

Профессиональную подготовку инженеров-строителей на территории Германии осуществляют около 20 технических университетов (TU) и около 40 высших технических школ (FH). Университеты, являясь по своей сути научным академическим учреждением, дают более широкий объем знаний будущим строителям и готовят их к выполнению самостоятельных научных исследований. В высших технических школах основной упор делается на получение практических навыков, связанных с будущей специальностью студента. Таким образом, изначально решается одна из актуальных проблем инженерного образования, связанная с противоречием между фундаментальным и прикладным направлением подготовки технических специалистов. Дипломы инженеровстроителей, полученные в техническом университете и в высшей технической школе, признаются эквивалентными. Следует сказать, что обучение и подготовка специалистов в Германии является делом земель, т.е. каждая земля решает эти вопросы самостоятельно через земельное министерство образования. Подготовка квалифицированных инженеров определяется специальным документом (законом) федеральной земли, где территориально находится университет. Данный документ в отличие от российского образовательного стандарта носит общий характер и дает значительные права университетам в выборе учебных программ и составлении учебных планов.

Для поступления в университет, как правило, не нужно сдавать вступительные экзамены, однако требуется прохождение двух-, трехмесячной предварительной практики на предприятии. Кроме того, вузом может регулироваться количество поступающих студентов. Программа обучения инженеровстроителей на степень бакалавра состоит из 30–35 образовательных модулей [2] и делится на два условных периода: начальный, посвященный изучению основ

119

elib.pstu.ru

специальности, и основной, предполагающий изучение одного или нескольких направлений специализации [3].

На начальном этапе обучения (3–4 семестра) студент получает базовые знания по выбранной им специальности, вырабатывает навыки научно-исследо- вательской работы и практического применения полученных знаний. Начальный период включает в себя обязательные общетехнические модули [3]. К данному этапу обучения относится, например, изучение [1]. В качестве предварительной практики (Vorpraktikum) немецким вузом признаются только виды деятельности, связанные с обслуживанием строительных площадок, процессами строительства и обработки строительных материалов [2]. Образовательная программа университета (высшей технической школы) включает в общей сложности в среднем около 40–50 модулей. Приблизительно 50–70 % модулей подлежат обязательному изучению (Pflichtmodule), остальные модули предлагаются к обязательному либо свободному выбору (Wahlpflichtmodule, Wahlmodule) [3]. Официальное деление на два периода обучения (Grundstudium und Fachstudium/Hauptstudium) сохранилось в некоторых вузах Германии после перехода на новую систему образования «бакалавр – магистр» до настоящего времени. К данному этапу обучения относится, например, изучение математики, физики, геодезии, конструктивной геометрии, технической механики, гидромеханики, основ планирования и конструирования, строительного материаловедения, прикладной статистики и информатики. Учебные программы некоторых университетов и высших технических школ предполагают также выбор одного или нескольких модулей из других нетехнических направлений обучения (например, экономики, философии и т.п.).

Основной период обучения длится 2–3 семестра. На этом этапе студент занимается более углубленным изучением выбранной специальности, проводит самостоятельные исследования и выбирает одно или несколько направлений специализации. В числе предлагаемых университетами специализаций [3]: конструктивный строительный инжиниринг, гидротехника, строительное производство и геотехника, транспорт и объемное планирование, конструктивный менеджмент и инфраструктурные системы, материаловедение и прикладная механика и т.д. Кроме того, студент имеет право выбирать модули из других направлений, иногда даже из списка модулей других университетов. Основной период обучения завершается написанием научной работы на соискание академической степени.

Программа обучения инженеров-строителей на степень магистра не имеет условного разделения на начальный и основной периоды и состоит из 15–25 образовательных модулей [4]. Степень магистра предполагает дальнейшее более глубокое и детальное изучение выбранной студентом специализации [5]. Следующие специализации предлагаются в вузах Германии в рамках магистерского обучения инженера-строителя [4]: материаловедение, системы строительно-

120

elib.pstu.ru