КОМПЕТЕНТНОСТНЫЙ ПОДХОД К ПРЕПОДАВАНИЮ ДИСЦИПЛИН НАЧЕРТАТЕЛЬНАЯ ГЕОМЕТРИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ И КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА

В статье приводятся особенности практики преподавания дисциплины «Начертательная геометрия. Инженерная и компьютерная графика» на кафедре графики РГАТУ имени П.А. Соловьёва на основе компетентностного подхода. Упор делается на комплексное использование традиционных методов решения инженерно-графических задач с помощью чертёжных инструментов и методов современных информационных технологий.

В последнее десятилетие происходит резкая переориентация оценки результата образования с понятий «подготовленность», «образованность», «общая культура», «воспитанность» на понятия «компетенция», «компетентность» студентов. Не случайно, в пятом разделе федеральных государственных образовательных стандартах высшего образования 3+ (ФГОС ВО 3+) регламентируются требования, по которым «в результате освоения программы бакалавриата у выпускника должны быть сформированы общекультурные, общепрофессиональные и  профессиональные компетенции».

Компетенция (от лат. competentio от соmpeto добиваюсь, соответствую, подхожу) — это личная способность специалиста решать определенный класс профессиональных задач. Поэтому сегодня принято считать, что «компетенция» выступает в качестве основополагающего понятия модернизации содержания образования, так как объединяет в себе интеллектуальную и навыковую составляющие результата образования, интегрирует знания,  умения и навыки [1].

Если проанализировать ФГОС ВО 3+ в части инженерно-графической подготовки специалистов уровня бакалавриата для промышленных предприятий, то можно обобщенно выделить три профессиональные компетенции.

Во-первых, выпускник  должен «обладать способностью применять методы графического представления объектов профессиональной деятельности, например, объектов машиностроения, схем и систем».

Во-вторых, выпускник  должен «обладать  способностью представлять техническую документацию в соответствии с требованиями Единой системы конструкторской документации».

И, наконец, в-третьих, выпускник  должен «обладать умением использовать стандартные средства автоматизации проектирования при проектировании деталей и узлов объектов профессиональной деятельности  в соответствии с техническими заданиями».

Необходимые знания и опыт для приобретения вышеперечисленных компетенций студенты получают в процессе графической подготовки, осваивая дисциплины « Начертательная геометрия», «Инженерная графика» и «Компьютерная графика».

В настоящее время с широким внедрением во все сферы человеческой деятельности современных информационных технологий  принципиально расширена процедура по созданию, передаче, применению и корректировке графических данных при проектировании, изготовлении и поддержке жизненного цикла изделия. Такой подход в преподавании графических дисциплин с успехом реализуется на кафедре  Графики РГАТУ имени П.А. Соловьёва  (рис. 1) [2] . Как следует из рисунка, особое внимание при изучении дисциплины уделяется компьютерной графике, которая пронизывает весь учебный процесс освоения дисциплины «Начертательная геометрия. Инженерная и компьютерная графика».

Цель изучения раздела «Начертательная геометрия» дисциплины «Начертательная геометрия. Инженерная и компьютерная графика» состоит в том, чтобы развить у студентов пространственное воображение,  умение представить реальные объекты  на основе двумерных изображений на плоскости и одновременно научить студентов решать позиционные и метрические задачи.

В начертательной геометрии пользуются, главным образом, кинематическим  способом образования поверхностей. Основным методом начертательной геометрии является метод ортогонального проецирования объекта, как правило, на две взаимно перпендикулярные плоскости проекций. Изображения в этих плоскостях носят название "комплексный чертеж".

Решение задачи на построение линии пересечения  двух поверхностей (сфера и конус вращения), представляет собой довольно трудоёмкий процесс (рис.2,а).  Задача решается способом вспомогательных секущих плоскостей частного положения, который  заключается  в последовательном пересечении поверхностей горизонтальными плоскостями уровня Г. Плоскости Σ и λ используются для нахождения особых точек линии пересечения.

Очевидны недостатки визуализации и точности построения искомой линии пересечения двух поверхностей, в частности, особых точек. Визуальное восприятие поверхностей затруднительно, некоторые линии каркаса конкурируют между собой.

На кафедре графики для углубления и закрепления получаемых знаний при изучении теоретических основ начертательной геометрии по построению изображений используются методы компьютерной графики (рис.1). С этой целью практически с первых занятий студенты начинают осваивать использование простых команд графических  редакторов САПР для создания трёхмерных электронных моделей геометрических объектов.

Чтобы построить параметризованную модель им достаточно научиться задавать координатные плоскости, в них размещаются поверхности, которые созданы с помощью типовых элементов формы  «Цилиндр», «Конус», «Сфера», «Блок». Эти элементы можно обрезать, объединять, пересекать. Студенты  учатся создавать модели также на основе базовых кривых (окружностей, линий, дуг) с помощью операций построения «Вращение» и «Вытягивание».  При желании  можно изменять отображение 3-D моделей (окраcку, прозрачность).

 Трёхмерная модель имеет преимущество перед 2D изображением, поскольку создает более полное  представление об объекте [3]. Визуализация изделия занимает первое место в длинном списке преимуществ  трёхмерного 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 трёхмерного моделирования и анимации, обеспечивают лёгкость,  и скорость  с которыми создаются трёхмерные модели конструируемых изделий.  Широкие возможности их редактирования и различные способы получения плоских изображений этих изделий (видов, разрезов, сечений), ассоциативно связанных с моделями, обеспечивает огромную экономию времени по сравнению с «ручным» черчением.

На рисунке  2,б представлена трёхмерная геометрическая модель пересекающихся поверхностей, построенная по условиям задачи (рис. 2, а).  Представленная модель наглядна, применённая частичная прозрачность полусферы определяет взаимное расположение поверхностей, различие окраски обеспечивает чёткость  линии пересечения.

На рисунке 2,в  представлена трёхмерная геометрическая модель пересекающихся поверхностей в положении «вид спереди», на рисунке 2,г в положении «вид сверху». При сравнении ортогональных проекций с изображениями модели наблюдаются значительные неточности формы линии пересечения поверхностей: на горизонтальной проекции (рис. 2,а) линия пересечения имеет не такую правильную  форму, как на изображении модели, особенно в районе особой точки. Допущена ошибка при определении видимости в месте сближения линии пересечения с очерком конуса.

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

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

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» (рис.1) студенты разрабатывают в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД  изображения (виды, разрезы и сечения) графических конструкторских документов.  Как и в разделе «Начертательная геометрия», используются традиционные методы построения изображений, так и современные программы систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющие разрабатывать трёхмерные электронные геометрические  модели изделий,  так  и  на их основе 2-D 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  2-мерную геометрию нужного профиля, они строят поверхности заметания; используя эскизы в качестве сечений - поверхности свободной формы, а также наряду с  твёрдыми 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 операций 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 и сложные разрезы и сечения в карандаше, студенты всегда могут проверить правильность выполненного задания с помощью Приложения «Черчение», достаточно предварительно построить электронную  геометрическую  модель  детали.

В разделе «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 и текстовым конструкторским документам (рабочему чертежу детали, 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» способом  разработки конструкторских документов изделий, студенты изучают методы получения электронных геометрических моделей сборочных единиц, а также на основе 3-D моделей изделий  создания электронных конструкторских документов (рис.1).

 На рисунке 3,а представлены электронная геометрическая модель сборочной единицы Хомут и созданный на её основе  сборочный  чертёж.

Электронные чертежи создаются для всех оригинальных деталей, входящих в сборочную единицу. На рисунке 3,б представлены Электронная геометрическая модель детали Полухомут и созданный на её основе  рабочий   чертёж.

В зависимости от специфики образовательных программ направлений бакалавриата и специалитета на кафедре Графики РГАТУ имени П.А. Соловьёва студентам предлагаются для разработки электронных конструкторских документов, программные продукты наиболее известных компаний: АСКОН (КОМПАС), Autodesk (AutoCAD, Inventor, 3ds MAX) и Siemens PLM Software (NX), которые позволяют решать в электронном 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, а также были разработаны и изданы соответствующие учебные пособия. Эти изделия используются в качестве прототипов при разработке комплекта конструкторских документов  курсовых работ (рис.1).

В курсовой 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 чертёж общего вида пресс-формы, электронные геометрические модели нестандартных деталей пресс-формы (рис. 4, б), компьютерные чертежи этих деталей, электронная модель пресс-формы (рис. 4, в) и её компьютерный сборочный чертёж, а также спецификация этого изделия.

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

Используемая на кафедре Графики РГАТУ имени П.А. Соловьёва методика преподавания дисциплины «Начертательная геометрия. Инженерная и компьютерная графика» является основой для формирования профессиональных компетенций.  Это – способность и готовность использовать информационные технологии, в том числе современные средства компьютерной графики в своей предметной области; готовность участвовать в разработке проектной и рабочей конструкторской  документации, в соответствии со стандартами, техническими условиями и другими нормативными документами.

Таким образом, в результате изучения дисциплины  «Начертательная геометрия. Инженерная и компьютерная графика» студенты приобретают:

–  знания по современным методам и средствам геометрического моделирования и компьютерной графики для разработки конструкторских документов в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД;

–  умение ставить задачу и разрабатывать алгоритм ее решения, получать изображения объектов моделирования, в том числе цифровые, работать с прикладными программами САПР, как средством управлением и получением информации в цифровом виде, планировать реализацию проекта доработки трехмерной геометрической модели;

–  навыки владения современными информационными технологиями при разработке и производстве новых изделий.

Список литературы

1.     Компетентностный подход в высшем профессиональном образовании.Хрестоматия-путеводитель. Автор-составитель: А.В. Коваленко. (Под научной редакцией проф. М.Г. Минина): – Томск: Изд-во ТПУ, 2007г. – 117 с.

2.     Ю. П. Шевелев,  С.В. Асекритова, В. А. Токарев.  Практика преподавания дисциплины «Начертательная геометрия. Инженерная и компьютерная графика»// Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени  П. А. Соловьёва, № 1 (32)  2015 г. С.257-272.

3.     С. В. Асекритова,  А. В.  Константинов. Решение задач начертательной геометрии  с использованием системы автоматизированного проектирования NX // Актуальные проблемы реализации компетентностно-ориентированных основных образовательных программ: Межвузовский сборник научно-технических статей. Рыбинск: РГАТУ имени П.А. Соловьёва, 2014. С.213-218.

4.       Ю. П. Шевелев,  В. А. Токарев.  Эффективность комплексного применения в профессиональной подготовке специалистов различных типов графических программ при разработке геометрических моделей // Геометрия и графика. М.: ИНФРА-М. 2013. V. 1. I. 3-4. C. 40-43. DOI: 10.12737/2132.

5.        ГОСТ 2.001 - 2013. Единая система конструкторской документации. Общие положения.

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

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

Рисунки к докладу

Структура образовательного процесса по дисциплине    «Начертательная геометрия. Инженерная и компьютерная графика»

а.  Пересечение поверхностей  (комплексный чертеж);  

б.  Пересечение поверхностей  (трёхмерная   геометрическая  модель);

в.  Пересечение поверхностей  (модель, вид спереди) ; 

г.  Пересечение поверхностей  (модель, вид сверху).

а. Электронная геометрическая модель сборочной единицы "Приспособление"и созданный на её основе  сборочный  чертёж ;

б. Электронная геометрическая модель детали  "Переходник" и созданный на её основе  рабочий   чертёж.

а. Элемент задания к курсовой работе;

б. Геометрическая модель разработанной нижней матрицы;

в.  Геометрическая модель разработанной пресс-формы.