Проблема качества графической подготовки студентов в техническом вуз

базовых кривых (окружностей, линий, дуг) с помощью операций построения «Вращение» и «Вытягивание». При желании можно изменять отображение 3D-моделей (окраcку, прозрачность).

Трехмерная модель имеет преимущество перед 2D-изображением, поскольку создает более полное представление об объекте [3]. Визуализация изделия занимает первое место в длинном списке преимуществ трехмерного моделирования. Ведь плоский чертеж статичен, а модель можно поворачивать и изучать с любой точки, меняя масштаб просмотра по своему желанию, добавлять источники освещения и создавать реалистичную визуализацию.

Удобные инструменты трехмерного моделирования и анимации обеспечивают легкость и скорость, с которыми создаются трехмерные модели конструируемых изделий. Широкие возможности их редактирования и различные способы получения плоских изображений этих изделий (видов, разрезов, сечений), ассоциативно связанных с моделями, обеспечивает огромную экономиювременипосравнениюс«ручным» черчением.

На рис. 2, б представлена трехмерная геометрическая модель пересекающихся поверхностей, построенная по условиям задачи (рис. 2, а). Представленная модель наглядна, примененная частичная прозрачность полусферы определяет взаимное расположение поверхностей, различие окраски обеспечивает четкость линии пересечения. На рис. 2, в представлена трехмерная геометрическая модель пересекающихся поверхностей

вположении «вид спереди», на рис. 2, г – в положении «вид сверху». При сравнении ортогональных проекций с изображениями модели наблюдаются значительные неточности формы линии пересечения поверхностей: на горизонтальной проекции (см. рис. 2, а) линия пересечения имеет не такую правильную форму, как на изображении модели, особенно в районе особой точки. Допущена ошибка при определении видимости

вместе сближения линии пересечения с очерком конуса.

Преимущества визуализации трехмерной модели перед комплексным чертежом очевидны. Наличие модели позволяет проверить правильность решения задач, сравнивая ортогональные проекции с соответствующими расположениями модели.

Приведенные примеры подтверждают целесообразность работы с трехмерными электронными моделями геометрических объектов при изучении теоретических положений начертательной геометрии. При рассмотрении позиционных задач, работая с трехмерной моделью объекта, можно изменять исходные параметры с целью нахождения оптимального решения, «моделировать» механизм решения задачи.

171

Внедрение компьютерной графики при изучении сложной теоретической дисциплины «Начертательная геометрия» облегчает изучение этой дисциплины и способствует развитию у студентов пространственного воображения.

Изучая раздел «Проекционное черчение» (см. рис. 1), студенты разрабатывают в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД изображения (виды, разрезы и сечения) графических конструкторских документов. Как и в разделе «Начертательная геометрия», наряду с традиционными методами построения изображений используются современные программы систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющие разрабатывать трехмерные электронные геометрические модели изделий, в том числе на основе 2D-изображения [4].

Заканчивая изучение раздела «Проекционное черчение», студенты получают навыки владения основным набором команд электронного моделирования разных по сложности деталей. С помощью опции «Эскиз», создающей двухмерную геометрию нужного профиля, они строят поверхности заметания, используя эскизы в качестве сечений – поверхности свободной формы, а также наряду с твердыми телами тела листовые.

При выполнении заданий студенты наряду с примитивами учатся использовать позиционно зависимые конструктивные элементы, такие как отверстие, бобышка, карман, ребро жесткости и др. Использование конструктивных элементов и операции с ними (зеркальное тело, массив) в процессе создания модели значительно сокращает время проектирования и выполнения студентами аудиторных и домашних заданий.

Выполняя стандартные изображения детали, такие как простые

исложные разрезы и сечения в карандаше, студенты всегда могут проверить правильность выполненного задания с помощью приложения «Черчение», достаточно предварительно построить электронную геометрическую модель детали.

Вразделе «Инженерная графика» студенты изучают способы разработки конструкторских документов (чертежей) с использованием методов начертательной геометрии и требований к их оформлению, которые регламентированы государственными стандартами Единой системы конструкторской документации (ЕСКД). На начальном этапе освоения этого раздела применяются традиционные, «карандашные» методы разработки конструкторских документов с целью приобретения студентами навыков использования норм и требований ЕСКД к графическим

итекстовым конструкторским документам (рабочему чертежу детали,

172

чертежу общего вида, сборочному чертежу, спецификации) в части оформления изображений, простановки номинальных значений размеров и оформления технических требований. Это позволяет студентам приобрести профессиональную компетенцию «обладать способностью представлять техническую документацию в соответствии с требованиями Единой системы конструкторской документации».

В соответствии с последними изменениями стандартов ЕСКД на передовых предприятиях при проектировании изделий промышленности разрабатываются электронные конструкторские документы. В 2006 году введены Межгосударственные стандарты ЕСКД: ГОСТ 2.051–2006 «Электронные документы»; ГОСТ 2.052–2006 «Электронная модель изделия» и ГОСТ 2.0503 «Электронная структура изделия», которые устанавливают единые требования для разрабатываемых электронных конструкторских документов [5].

Параллельно с «карандашным» способомразработкиконструкторских документов изделий студенты изучают методы получения электронных геометрическихмоделей сборочных единиц, а также изделий создания элек- тронныхконструкторскихдокументовнаоснове3D-моделей(см. рис. 1).

На рис. 3, а представлены электронная геометрическая модель сборочной единицы «приспособление» и созданный на ее основе сборочный чертеж.

Рис. 3. Электронная геометрическая модель сборочной единицы «приспособление» и созданный на ее основе сборочный чертеж (а); электронная геометрическая модель детали «переходник»

и созданный на ее основе рабочий чертеж (б)

173

Электронные чертежи создаются для всех оригинальных деталей, входящих в сборочную единицу. На рис. 3, б представлены электронная геометрическая модель детали «переходник» и созданный на ее основе рабочий чертеж.

Взависимости от специфики образовательных программ направлений бакалавриата и специалитета на кафедре графики РГАТУ имени П.А. Соловьева студентам предлагаются для разработки электронных конструкторских документов программные продукты наиболее извест-

ных компаний: АСКОН (КОМПАС), Autodesk (AutoCAD, Inventor, 3ds MAX) и Siemens PLM Software (NX), которые позволяют решать

вэлектронном виде задачи всех этапов проектирования, изготовления и поддержки жизненного цикла изделия.

Как правило, изучение студентами дисциплины заканчивается индивидуальными творческими исследовательскими разработками, участием в различных конкурсах и выполнением курсовой работы. Введению курсовых работ на кафедре графики способствовало приобретение на авиационном предприятии соответствующей специальной оснастки: для кузнечных специальностей – штампов листовой штамповки, для литейных – пресс-форм для литья по выплавляемым моделям, для общемашиностроительных – кондукторов; также были разработаны и изданы соответствующие учебные пособия. Эти изделия используются в качестве прототипов при разработке комплекта конструкторских документов курсовых работ (см. рис. 1).

Вкурсовой работе, выполняемой студентами-литейщиками на основе чертежа отливки (рис. 4, а), разрабатывается комплект конструкторских документов пресс-формы. В него входят: эскизный чертеж нижней матрицы пресс-формы, эскизный чертеж общего вида прессформы, электронные геометрические модели нестандартных деталей пресс-формы (рис. 4, б), компьютерные чертежи этих деталей, электронная модель пресс-формы (рис. 4, в) и ее компьютерный сборочный чертеж, а также спецификация этого изделия.

Знания, которые получают студенты при изучении дисциплины «Начертательная геометрия. Инженерная и компьютерная графика», служат основой для выполнения расчетов конструкций изделий (CAE), разработки техпроцессов производства этих изделий (CAM) и управления проектами (PDM, PLM, MRP) в специальных дисциплинах, изучаемых на последующих курсах университета (см. рис. 1) [6, 7].

Используемая на кафедре графики РГАТУ им. П.А. Соловьева методика преподавания дисциплины «Начертательная геометрия. Инже-

174

Список литературы

1.Компетентностный подход в высшем профессиональном образовании: хрестоматия-путеводитель / авт.-сост. А.В. Коваленко; под науч. ред. проф. М.Г. Минина. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 117 с.

2.Шевелев Ю.П., Асекритова С.В., Токарев В.А. Практика преподавания дисциплины «Начертательная геометрия. Инженерная и компьютерная графика» // Вестник Рыбин. гос. авиацион. техн. ун-та им. П.А. Со-

ловьева. – 2015. – №1 (32). – С. 257–272.

3.Асекритова С.В., Константинов А.В. Решение задач начертательной геометрии с использованием системы автоматизированного проектирования NX // Актуальные проблемы реализации компетентно- стно-ориентированных основных образовательных программ: межвуз. сб. науч.-техн. стат. / РГАТУ им. П.А. Соловьева. – Рыбинск, 2014. –

С. 213–218.

4.Шевелев Ю.П., Токарев В.А. Эффективность комплексного применения в профессиональной подготовке специалистов различных типов графических программ при разработке геометрических моделей // Гео-

метрия и графика. – 2013. – Т. 1, вып. 3–4. – C. 40–43. DOI: 10.12737/2132

5.ГОСТ 2.001–2013. Единая система конструкторской документации. Общие положения. – М., 2013.

6.Шевелев Ю.П., Асекритова С.В. Решение прикладных задач с использованием САПР // Геометрия и графика. – 2011. – Вып. 1. – С. 76–82.

7.PLM Эксперт. Инновации в промышленности. – 2013. – № 1.

176

ВЕРИФИЦИРУЕМОСТЬ ИНЖЕНЕРНО-ГРАФИЧЕСКИХ ЗАДАЧ КАК НЕОБХОДИМОЕ УСЛОВИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

А.А. Бойков

Ивановский государственный энегретический университет им. В.И. Ленина, Иваново

Анализируются вопросы самостоятельной проверки инженерно-графических задач студентами. Вводится понятие верифицируемости как практической доступности самостоятельной проверки задач студентами при поддержке компьютерных систем. Формулируются группы задач верификации. Показывается применение геометрографических тренажеров для самостоятельной проверки элементарных приемов проекционного моделирования.

Ключевые слова: начертательная геометрия, инженерная графика, самостоятельная работа, самостоятельная проверка, верифицируемость, графические тренажеры.

VERIFIABILITY OF ENGINEERING AND GRAPHIC

TASK SOLUTIONS AS A PRECONDITION

FOR THE EFFICIENCY OF STUDENTS' INDEPENDENT WORK

А.А. Boykov

Ivanovo State Power University named by V.I. Lenin, Ivanovo

The problems of checking of engineering and graphic task solutions by students were analyzed. The term verifiability was introduced as the practical availability of the checking by students with the support of computer systems. Groups of objectives of the checking were distinguished. The use of geometric training tools for solitary checking of the elementary skills were shown.

Keywords: descriptive geometry, engineering drawing, independent work, solitary checking, verifiability, geometric training tools.

Введение

В своей деятельности специалисты-инженеры повсеместно имеют дело с геометрическими моделями. Геометро-графическая среда является основой особого рода коммуникаций [1], которой принадлежат 92 % инженерной деятельности, включая геометрическое моделирование и документирование, моделирование технологических процессов, функциональный дизайн, инженерный анализ. В этой коммуникационной среде геометрические модели играют роль языка с его особыми правилами и функциями. Этому языку свойственны особая точность и

177

ясность при передаче инженерных сведений. Все это объясняет разнообразие геометрических моделей, с которыми сталкиваются студенты инженерных специальностей.

В соответствии с Государственной программой РФ «Развитие образования» на 2013–2020 гг., модернизация учебных программ должна обеспечивать «гибкость и индивидуализацию процесса обучения» и направлена «на повышение самостоятельной учебной деятельности студентов» (Основное мероприятие П. 1.6, в [2, с. 109]). Это предполагает «интенсификацию всех уровней учебно-воспитательного процесса» [3] и создание условий для формирования «психологической установки на самостоятельное систематическое пополнение знаний и овладение умениями ориентироваться в потоке научной информации» [4].

Вотношении анализа и синтеза геометрических моделей успешная самостоятельная деятельность возможна лишь в условиях оперативной верификации ее результатов. Верификация – это процесс и результат проверки, верно или неверно построена та или иная тренировочная модель и какие допущены ошибки. Очевидно, компьютерные системы являются ключевым звеном в организации оперативной верификации гео- метро-графических моделей в самостоятельной работе студентов.

Как известно, проверка в условиях автоматизации обучения может выполняться в двух формах [5]: в форме ручной проверки (в частности, самопроверки) и в форме автоматизированной проверки. Если исключить из рассмотрения функции контроля обучения (расчет оценок и обратную связь с процессом обучения), тогда всякая автоматизированная проверка – наиболее автоматизированный вариант самопроверки.

Верификацией задач дисциплины будем называть организацию самостоятельной проверки их при поддержке компьютерной системы (в том числе полностью автоматическую проверку правильности решений). Верифицируемостью задач дисциплины будем называть практическую доступность их верификации.

Внастоящей работе мы попытаемся найти ответы на следующие вопросы:

1)что составляет основу самостоятельной проверки решений гео- метро-графических задач;

2)какие задачи стоят перед компьютерной системой верификации;

3)как компьютерные системы обеспечивают верификацию;

4)как может быть организована верификация решений геометрографических задач.

178

1. Теоретические основы самостоятельной проверки геометро-графических работ

В книге Б.И. Аргунова и М.Б. Балка, посвященной построениям на плоскости [6], дается определение задачи на построение, для решения которой «требуется построить… некоторую фигуру, если дана некоторая другая фигура и указаны некоторые соотношения между элементами искомой фигуры и элементами данной фигуры». Рассматривается схема решения, которая включает: 1) анализ, 2) построение, 3) доказательство, 4) исследование.

Такая же схема приводится в книге В.В. Глоговского [7], посвященной задачам начертательной геометрии и геометрического моделирования: вводится понятие «конструктивной задачи» и ее «степени» (степень уравнения, к которому приводится ее аналитическое решение), перечисляются «средства построения» (линейка, циркуль, угольник и др.). Задачи различных степеней относятся к тем или иным средствам.

Этап доказательства включает формальную проверку того, что построенная фигура соответствует всем указанным условиям; этап исследования включает постановку и ответ на дополнительные вопросы: является ли полученное решение частным или общим, всегда ли оно применимо, каким другим способом можно решить задачу, как решить задачу в более общей постановке и т.д. Доказательство и исследование призваны обеспечить проверку правильности и поиск иных методов решения.

Основными средствами интенсификации обучения инженернографическим дисциплинам, кроме применения САПР (см. ниже), являются пошаговые демонстрации [8], тестирование [9–11 и др.], электронные учебники, видеоматериалы и т.п. [12, 13 и др.]. Все перечисленные технологии, кроме тестирования, осуществляют представление информации, а не контроль. В работах [14, 15] выделяются четыре уровня овладения материалом: 1) знакомство – общее представление об объекте изучения, студент способен лишь опознавать и различать объекты изучения в ряду им подобных; 2) понимание – усвоение основных понятий, развитие способностей судить об особенностях предметов, давать характеристику, воспроизводить по памяти усвоенную информацию; 3) умение – способность применять усвоенную информацию при решении задач в той мере, которая не требует ее преобразования; 4) навык – способность решать любые задачи, овладение информацией в той степени, чтобы без труда преобразовывать ее и переносить приобретенные умения.

179

Если обратиться к определению задачи на построение (см. выше), то становится очевидным, что самостоятельная проверка студентами собственных решений возможна только на уровнях понимания и умения: студент понимает, какие фигуры изображены, какими свойствами они обладают, и может проверить выполнение всех условий задачи.

Далее, в работе [14] отмечается, что «выборочные ответы… не обеспечивают обучения выше уровня “знакомство”». Выборочные ответы– это широко внедряемые на всех уровнях современной системы образования тесты. Результатом этого внедрения в школьное образование можно считать низкий уровень подготовки первокурсников. Тестирование, как центральная форма контроля обучения, проникло и в высшее техническое образование. Так, необходимость сдавать интернет-тестирование по начертательнойгеометриипривела кпоявлениюспециальных пособий [16].

Таким образом, применяемые в инженерно-графическом образовании технологии в принципе не решают проблемы обеспечения верифицируемости.

2. Проблемы традиционного подхода к самостоятельной проверке геометро-графических задач

Особенностью курса начертательной геометрии в традиционном изложении (для примера были взяты учебники Н.Ф. Четверухина (1963), А.Д. Посвянского (1970), В.О. Гордона (1978), С.А. Фролова (1983)) является то, что в учебниках даются общие методы построения чертежей, приводятся примеры, но отсутствует методика проверки и самопроверки решений. Советское школьное образование было достаточным для того, чтобы студентам были очевидны как методы решения задач, так и способы проверки решений. Так, в сборнике задач С.А. Фролова (1986) [17] отмечается, что «графические способы решения обладают… свойством, что… на любом этапе решения можно контролировать правильность их выполнения».

Через 30 лет оказывается, что это не вполне справедливо. По-преж- нему «в основе контроля лежат инвариантные свойства параллельного проецирования и теоремы начертательной геометрии, планиметрии и стереометрии» [17], которые остались неизменными, но обнаружилась иная проблема: привыкшие к «наглядности1» движущихся реалистич-

1 Соколова Л.С. Геометрическаяподготовка бакалавров вусловиях ухода классического чертежа из современного высокотехнологичного производства // Проблемы качества графической подготовки студентов в техническом вузе: традиции и инновации: материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. – Пермь, 2016.

180