|
|
Александрова Евгения Петровна | (Пермский национальный исследовательский политехнический университет) |
|
|
Носов Константин Григорьевич | (Пермский национальный исследовательский политехнический университет) |
|
|
Столбова Ирина Дмитриевна | (Пермский национальный исследовательский политехнический университет) |
В рамках концепции развития образования на ближайшие годы обсуждаются вопросы использования метода проектов и потенциала современных компьютерных технологий при геометро-графической подготовке студентов в техническом вузе. Проведен анализ состояния современной проектно-конструкторской деятельности. Приводятся примеры практико-ориентированных задач геометрического моделирования и проектных заданий, выполняемых студентами при обучении инженерной графике.
* Статья опубликована в №5 журнала "Открытое образование" за 2015 г. (ссылка на публикацию: Е.П.Александрова, К.Г.Носов, И.Д.Столбова "ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СТУДЕНТОВ В ХОДЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ" // Открытое образование. 2015. №5 (112). С.55-62.)
В декабре 2014 года утверждена Концепция федеральной целевой программы развития образования на 2016-2020 годы [1]. Целью Программы является обеспечение условий для эффективного развития российского образования, направленного на формирование конкурентоспособного человеческого потенциала. В числе задач, обеспечивающих достижение поставленной цели, утверждается создание и распространение структурных и технологических инноваций в профессиональном образовании, обеспечивающих высокую мобильность современной экономики и удовлетворение потребностей производственной сферы и сферы потребления.
В Программе подтверждается приверженность к личностно ориентированной модели образования в высшей школе, законодательно установленной с переходом на ФГОС ВПО и внедрением в образовательный процесс компетентностного подхода. Данная тенденция учитывает внешние вызовы и тенденции, позволяет существенно повысить конкурентоспособность личности, образовательных институтов и в конечном итоге экономики и государства. Особое внимание предполагается уделять современным образовательным и информационно-коммуникационным технологиям, инновационным формам и методам обучения.
В Программе отмечается, что за последние годы для обеспечения требуемого качества образования, утрачен важнейший инструмент – проектно-целевой подход. Предлагаемый проектно-целевой подход позволит:
При действующих образовательных стандартах высшего профессионального образования до сих пор сохраняется предметно-дисциплинарная структура реализуемых вузом образовательных программ [2]. Поэтому все вышесказанное должно найти свое отражение в рамках предметного обучения, в том числе базовой геометро-графической подготовки (ГГП), осуществляемой на младших курсах вуза при подготовке специалистов инженерного профиля.
В сегодняшних условиях на первый план выдвигается задача поиска новых технологий предметного обучения, соответствующих вызовам современной экономики и производства или даже опережающих их. В вузах внедряются программы, основанные на методах активного обучения, – как правило, проектно- или проблемно-ориентированных, в центре которых находится студент [3, 4]. Все чаще звучит тезис о том, что проблемно-ориентированное и проектно-организованное обучение является одной из наиболее эффективных инновационных форм обновления учебного процесса [5].
Таким образом, назревшая необходимость реализации в системе профессионального образования проектно-целевого подхода, разработки и внедрения технологий проектного обучения актуализирует использование в образовательной деятельности метода проектов [6]. Однако на пути повсеместного внедрения данного метода есть целый ряд проблем, решение которых концептуально не прописано, и сегодня каждый разработчик учебных предметных программ может наметить собственную траекторию их решения.
Целью данной работы является обсуждение вопросов практической реализации метода проектов в рамках графической подготовки студентов в Пермском национальном исследовательском политехническом университете и организации в ходе образовательного процесса проектно-ориентированной деятельности студентов на основе использования современных информационных технологий.
Бурное развитие компьютерной техники способствует активному продвижению современных информационных технологий во все сферы жизнедеятельности и производства. Цифровые технологии 3d-печати, 3d-сканирования, 3d-моделирования и 3d-визуализации становятся основой высокотехнологичного производства, они позволяют сократить производственные затраты и сроки проектирования, обойти технологические ограничения и повысить качество и конкурентоспособность выпускаемой продукции. Необходимо отметить также, что информационные технологии принципиально изменили и проектно-конструкторскую деятельность, внесли значительные коррективы в разработку проектно-конструкторской документации, включая ее создание и контроль. Взамен бумажным чертежам и традиционной форме конструкторской документации появился электронный формат представления – электронные чертежи и 3d-модели, на смену технологии графического проектирования в 2d-формате пришли 3d-технологии геометрического моделирования [7,8]. Стандартами установлена новая терминология: электронная модель детали (ЭМД), электронная модель сборочной единицы (ЭМСЕ), электронная структура изделия (ЭСИ) и др. [9]. Электронные прототипы и 3d-печать пришли на смену физическим макетам, значительно ускорив этап создания и анализа проектно-конструкторской документации [10].
Сегодня использование систем автоматизированного проектирования в проектных и образовательных стало массовым и обыденным. САПР находится в постоянном и очень динамичном развитии. Ежегодно выпускают новые версии существующих продуктов, появляются новые решения и целые классы систем. САПР воспринимается теперь не только как среда проектирования, но и как средство взаимодействия всех участников создания новых изделий и даже будущих потребителей [11].
Среди моделей, используемых в конструкторских САПР в настоящее время, можно выделить модели пространственных объектов и модели чертежей. Более эффективные модели объектов (твердотельные) используются в современных системах трехмерного проектирования.
Огромным преимуществом современных САПР является возможность параметризации создаваемых объектов. Наличие условий для создания параметрической модели заложено в возможности системы проектирования, а параметрическое описание объекта становится идеологической базой современных конструкторских разработок. Можно выделить следующие преимущества проектирования с параметризацией на этапе 3d-моделирования [12]:
Данный подход, кроме рационализации процесса создания объекта и использования его в дальнейшем в качестве прототипа, позволяет проектировщику за короткое время производить очень большое количество итераций при поиске оптимальной формы модели, а с применением современных расчетных модулей также получить и оптимальные значения таких физических (и не только) параметров как вес, прочность, обтекаемость, гибкость, долговечность, экологичность, эргономичность и др. [13].
Учитывая мировые тенденции в сфере проектной деятельности и исходя из вышесказанного, можно констатировать, что обучение сегодняшних студентов инженерного профиля методам моделирования, основанных на параметризации, просто необходимо для повышения уровня конкурентоспособности будущих выпускников.
Все перечисленное говорит о необходимости разработки новых технологий обучения, которые смогут обеспечить гарантированное качество графической подготовки студентов и будут соответствовать развитию современного производства и автоматизированных цифровых технологий проектирования. Инновационные программы должны быть практико-ориентированными и проектно-направленными, организовывать среду, приближенную к реальной конструкторской деятельности, и создавать условия для формирования у студентов востребованных компетенций проектно-конструкторской деятельности [14,15].
Для геометро-графического обучения студентов в рамках базовой инженерной подготовки на младших курсах вуза вопросы внедрения метода проекта особенно актуальны. Во-первых, сам профиль такой подготовки предполагает практико-направленную профессиональную деятельность. Во-вторых, использование этого метода позволит приблизить образовательные технологии к профессиональной деятельности конструктора-проектанта, которые в последнее время претерпели значительные инновационные изменения. Заметим, что проектно-ориентированная деятельность студентов в данной предметной области невозможна без применения пакетов САПР.
В ходе графической подготовки студентов ПНИПУ практико-ориентированные и проектные задания для студентов опираются на технологию 3d-проектирования, когда на основе геометрического моделирования в CAD-системе создаются виртуальные 3d-модели геометрических объектов, деталей или сборочных единиц, что соответствует потребностям и перспективным тенденциям развития процессов проектирования и производства. В качестве основного инструментария моделирования виртуальных объектов в учебном процессе используется САПР Компас-3D, широко известная и достаточно развитая. Она удовлетворяет всем требованиям геометрического моделирования, необходимым для выполнения заданий в рамках базовой графической подготовки студентов.
При разработке программы реализации графической подготовки и создании методического сопровождения предусмотренных форм обучения студентов системно и последовательно увеличивается доля проектной составляющей в учебных задачах и заданиях по мере освоения разделов образовательной программы. В табл. 1 приведена системная последовательность применения проектных технологий с учетом уровня погружения студентов в проектную деятельность.
При разработке программы реализации графической подготовки и создании методического сопровождения предусмотренных форм обучения студентов системно и последовательно увеличивается доля проектной составляющей в учебных задачах и заданиях по мере освоения разделов образовательной программы. В табл. 1 приведена системная последовательность применения проектных технологий с учетом уровня погружения студентов в проектную деятельность.
Таблица 1
Применение образовательных технологий с различным уровнем погружения в проектную деятельность
|
Уровни погружения
|
Типы решаемых задач (практическая реализация)
|
Постановка задачи (преподаватель)
|
Методика решения (студент)
|
|
|
1
|
Проблемно-ориентированные задачи
|
Геометрические задачи на основе 3d-моделирования.
|
Ситуационные задачи, требующие базовых знаний пространственной геометрии.
|
Рекомендации с пошаговым алгоритмом решения поставленной задачи.
|
|
2
|
Проблемные задачи
|
Комплексные геометрические задачи на основе 3d-моделирования.
|
Комплексные задачи, требующие получения промежуточных выводов и решений, для перехода к основному решению.
|
Выбор рационального алгоритма решения задачи из рекомендованных или представление собственного.
|
|
3
|
Проектные задания
|
Проектирование простой детали (изделия) с реальным назначением.
|
Проектное задание на выполнение 3d-модели изделия.
|
Тренажная технология выполнения по разработанному алгоритму с упором на оптимизацию выполнения и параметризацию.
|
|
4
|
Учебные проекты
|
Учебный проект на создание 3d-модели сборочной единицы.
|
Вариативное задание на проектирование простой сборочной единицы. Описаны все параметры изделия.
|
Рекомендации с пошаговым алгоритмом реализации модели сборочной единицы.
|
|
5
|
Специализированные проекты
|
Разработка комплекта конструкторской документации с применением САПР.
|
Задание на проектирование сборочной единицы специального назначения. Описаны лишь выходные параметры изделия.
|
Самостоятельная реализация проекта.
|
Теоретической базой графической подготовки является изучение разделов начертательной геометрии. Здесь за основу концепции проектно-ориентированного обучения взято положение о возможности включения основополагающих геометрических алгоритмов в технологию создания абстрактных трехмерных объектов методами визуально-образного 3d-моделирования. Речь идет о синтезе основ начертательной геометрии и современного инструментария виртуального 3d-моделирования [16]. Такой синтез стимулирует мыслительную деятельность обучаемого и одновременно прививает навыки работы с 3d-моделью, обеспечивая тем самым первоначальную подготовку студента к реальной профессиональной деятельности. Кроме того, в проектном подходе учитывается и личностная составляющая. В зависимости от индивидуальной готовности и собственных амбиций, мотивации к саморазвитию и потребности в величине рейтинговой оценки учебных достижений студент может выбрать уровень сложности задания, вариативность постановки задачи, алгоритм ее реализации.
В табл. 2 приведены примеры постановки и перечень требований к реализации тематических задач дисциплины с учетом уровня проектной составляющей в алгоритме выполнения.
Таблица 2
Условия для реализации геометрических задач
|
а
б |
Условие задачи 1:
Создать модель пирамиды, основание которой правильный треугольник с заданной стороной, а одна из боковых граней (равнобедренный треугольник) перпендикулярна основанию.
Дополнительные условия:
а) известна величина большего бокового ребра с ;
б) известна величина линейного угла j, определяющего двугранный угол между наклоненными боковыми гранями.
Реализация:
Вариант «а»:
- 1 уровень погружения в «метод проектов»;
- знания по теме «Прямые и плоскости, их взаимное расположение» используются в нестандартной ситуации;
- 3D-моделирование осуществляется по заданному алгоритму.
Вариант «б»:
- 2 уровень погружения в «метод проектов»;
- знания по теме «Методы преобразования чертежа» косвенно используются при решении геометрической задачи с проблемной постановкой;
- 3D-моделирование осуществляется путем выбора наиболее рационального алгоритма.
|
 а
 б
|
Условие задачи 2:
Создать модель прямого кругового конуса с заданными параметрами, рассеченного плоскостью по эллипсу.
Дополнительные условия:
а) известны величина большой оси эллипса и удаление его центра от основания конуса;
б) известны величины большой и малой осей эллипса.
Реализация:
Вариант «а»:
- 1 уровень погружения в «метод проектов»;
- геометрические знания по теме «Сечение конуса плоскостями» используются при решении проблемно-ориентированной задачи;
- 3D-моделирование осуществляется по заданному алгоритму.
Вариант «б»:
- 2 уровень погружения в «метод проектов»;
- знания по теме «Способ вспомогательных секущих плоскостей-посредников» используются при поиске варианта решения проблемной задачи;
- алгоритм 3D-моделирования строится самостоятельно.
|
 а
 б
|
Условие задачи 3:
Создать модель композиции из пересекающихся поверхностей, одна из которых – прямой круговой конус с заданными параметрами, а место расположения и параметры других поверхностей неизвестны.
Дополнительные условия:
а) конус пересекается со сферой по двум окружностям с заданными диаметрами;
б) конус пересекается с прямой треугольной призмой по кривой – параболе с заданным параметром.
Реализация:
Вариант «а»:
- 1 уровень погружения в «метод проектов»;
- знания по теме «Пересечение соосных поверхностей вращения» в нестандартной ситуации;
- 3D-моделирование осуществляется по заданному алгоритму.
Вариант «б»:
- 2 уровень погружения в «метод проектов»;
- комплексные знания по темам «Сечение конуса плоскостями» и «Пересечение поверхностей» используются в нестандартной ситуации;
- алгоритм 3D-моделирования строится самостоятельно.
|
Рис. 1. Результаты проектирования коробки реле: а – модель корпуса; б – модель крышки; в – модель изделия в сборе
Рис. 2. Результаты проектирования соединения опрессовкой: а – модель армирующей детали; б – 3d-модель изделия; в – фрагмент ассоциативного чертежа
Пример 3. Проектируемый объект – блок роликовый
Техническое задание: разработать комплект конструкторской документации на сборочную единицу «Блок роликовый». Составные части сборочной единицы: основание, прижим, валик, ролик, фиксатор. Также требуется выполнить подбор стандартных деталей из библиотеки – крепежей и подшипников. Вариант выполнения специализированного проекта приведен на рис. 3.
Состав проектной документации:
1. 3d-модели составных частей изделия.
2. Ассоциативные чертежи деталей.
3. 3d-сборка изделия.
4. Ассоциативный чертеж сборочной единицы.
5. 3d-печать структурных составляющих проекта.
Подобные проекты являются практически универсальными для целей геометро-графической подготовки студентов за счет своей вариативности. Например, некоторые из возможностей постановки проекта:
1. Изменение под любой уровень сложности моделирования - от простого, 3-х деталей по отдельности, до контекстного (гибридного) моделирования непосредственно в сборке, до 5 и более деталей. Добавление в сборку стандартных изделий из библиотек.
2. Изменение под объем выделенных часов на выполнение - количество решаемых задач можно как уменьшить, так и увеличить. Можно выдать готовые параметры крепежных изделий и подшипников или дать задание на их подбор в справочной литературе.
3. Изменение последовательности выполнения или возможность использования прототипов. В силу того, что решение некоторых задач контекстного моделирования требует приличных знаний в области геометрии, соответственно, могут быть предложены типовые алгоритмы решения или исключены некоторые этапы из процесса моделирования.
4. Изменение требований к комплекту конструкторской документации на выходе. Например, введение подсборок для усложнения процесса подготовки КД при создании спецификации и ассоциативных чертежей.
5. Изменение количества участников выполнения проекта – от одиночного исполнения до коллективного (в составе двух-трех студентов).
Рис. 3. Результат проектирования блока роликового: а – модель сборочной единицы; б – модель сборочной единицы в разнесенном виде
Приведенные в работе примеры постановки учебных проектно-ориентированных задач и проектных заданий, выполнение которых основано на синтезе конструкторской практики и инструментария геометрического моделирования, сближают технологии обучения с современной проектно-конструкторской деятельностью. Использование опробованной методики особенно перспективно при оптимизации процесса обучения в условиях дефицита временных ресурсов. Как показывают результаты, методика и модель реализации метода проектов позволяют изменить характер учебной деятельности учащихся, усиливают их мотивацию, учитывают индивидуальные возможности и потребности, а также приобщают к решению практических задач, приближенных к будущей профессиональной деятельности выпускников.
В работе затронуты вопросы реализации инновационной методики преподавания геометро-графических дисциплин на основе метода проектов. Предлагаемые технологии образовательной деятельности направлены на сближение современных технологий проектно-конструкторских работ с методикой предметного обучения.
Авторы считают, что в данной работе наиболее важными являются следующие положения и результаты:
1. Разработанная методика и содержание учебных заданий учитывают положения Концепции федеральной целевой программы развития образования на 2016-2020 годы, а также тенденции развития современных технологий проектно-конструкорской деятельности.
2. Приведены примеры разработанных практико-ориентированных геометрических задач, учебных заданий и проектов, использующие современные возможности компьютерного моделирования и приближающие учебную среду к реальной профессиональной деятельности.
3. Новая методика позволяет оптимизировать процесс обучения. Появляется возможность дифференцированного подхода, позволяющая варьировать сложность учебных заданий с учетом индивидуальных способностей студентов и их заинтересованности в развитии компетенций в области геометрического моделирования.
4. Апробирование представленной методики показало, что обновленные технологии с интересом воспринимаются студентами и успешно способствуют формированию проектно-конструкторских компетенций.
* Статья опубликована в №5 журнала "Открытое образование" за 2015 г. (ссылка на публикацию: Е.П.Александрова, К.Г.Носов, И.Д.Столбова "ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СТУДЕНТОВ В ХОДЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ" // Открытое образование. 2015. №5 (112). С.55-62.)
