К ОБОСНОВАНИЮ ПАРАДИГМЫ БАЗОВОЙ ГГП В ПРОЕКТНО-ДЕЯТЕЛЬНОСТНОМ ФОРМАТЕ

Рассматривается формирование программы базовой ГГП в проектно-деятельностном формате.

До недавнего времени содержание и методики геометро-графической подготовки (ГГП) в отечественном инженерном образовании обеспечивались общепрофес­сиональными дисциплинами (ОПД): начертательная геометрия (НГ), инженерная графика (ИГ), компьютерная графика (КГ). При этом, дисциплины НГ, ИГ, КГ трактовались как начальная база собственно инженерной подготовки.

Содержание и методика преподавания дисциплин соответствовали знаниево-дисциплинарной парадигме инженерного образования – накопления знаний, умений и навыков, потенциально необходимых для того или иного вида инженерной деятельности и формирования соответствующей профессиональной культуры выпускника. При этом носитель образовательной парадигмы Основная Образовательная Программа (ООП), фиксирующая логику группировки дисциплин и последовательность их изучения, традиционно типовыми блоками выделяла ГСЭ, МЕН, ОПД, СД. Что касается дисциплин ГГП, то содержательно они позиционировались как отражение модели проектно-конструкторской деятельности (ПКД) с последовательной логикой ее этапов и соответствующей технологией подготовки конструкторских документов (КД).

В современных высоко интеллектуальных технологиях ПКД, элементы которой номинально моделирует ГГП, утвердился принцип сквозной CE/РLM-методологии, опирающейся на 3D-электронную модель изделия (ЭМИ), консолидирующую информацию об изделии на всех этапах его жизненного цикла (ЖЦИ). Влияние комплексной информатизации производства и уже накопленного международного опыта различных инженерных школ по использованию в образовательной деятельности информационных технологий привели в последние десятилетия к консенсусу в направлении неизбежной трансформации парадигмы инженерного образования на основе интеграции образования, науки и инноваций [1]. С изменением методологии современной ПКД в контексте CE/РLM в основе ГГП в разных интерпретациях утвердились проектные и деятельностные подходы, тенденции переноса профессионального словаря, механизмов инженерной деятельности на учебный процесс, предполагая все более прикладную ее позицию. При этом реализация проектно-деятельностной парадигмы инженерного образования пока еще не приняла повсеместно фронтальной формы, подкрепленной логически аргументированными ООП, в рамках которых можно говорить о формировании специфической инженерной ментальности, направленной на критический анализ и преобразование ТО [3, 4]. Традиционные ООП не отличают полноценные дисциплинарные связи: обыкновенно к ним и предполагается составление дополнительных таблиц или структур, поясняющих связь дисциплин плана или их модулей с моделью выпускника. Структура ООП, соответствующая проектно-деятельностной парадигме, многократно обсуждалась в контексте проблем инженерной педагогики [5, 6, 7]. В обобщенном виде она представлена схемой (рис.1):

Рис.1. Структура ООП

Отдельные этапы обобщенной структуры деятельности, лежащие в основе такой ООП, их аббревиатуры на рис.1 указаны только для начального уровня (для остальных они такие же):

СА – системный анализ ситуации или надсистемы ТО или процесса, связанной с данной потребностью. Может быть различным по форме, но, так или иначе, является основой для конкретизации желаемой цели и ресурсов деятельности [1];

Ц – формулировка цели и показателей  эффективности ее реализации, т.е. за счет чего предполагается удовлетворить потребность в желаемых признаках при данных условиях и ограничениях (ресурсах) при проектировании это ТЗ; 

П, В – предшествующие прототипы П реализации ТО или процесса в соответствии со сформулированной целью или его новые варианты В, если прототипы в данной ситуации окажутся не удовлетворительными с точки зрения достижения поставленной цели;

М – моделирование прототипов или новых вариантов: создание новых или привлечение готовых моделей для анализа и последующего выбора рабочего варианта;

АМ – анализ моделей (имитационное моделирование, оптимизация и т.п.) с целью   выбора лучшего варианта для заданных условий;

В – выбор работоспособных вариантов для реализации объекта (процесса). Сложная процедура (если удовлетворяют не всем выбранным показателям), в простых ситуациях реализуется на интуитивном уровне;

Р– реализация выбранного варианта с последующей оценкой результата по выбранным показателям эффективности ТО.

Опора ГГП на деятельностную структуру автоматически означает отражение в ней и структуры РLМ  отдельных этапов ЖЦИ как отдельных видов профессиональной инженерной деятельности. Подлежащая освоению в ГПП обучающая информация и формируемые на её основе знания, умения и навыки владения ими (ЗУВ) в такой структуре ООП структурируются в соответствии с двумя объективными логическими последовательностями:

1) обобщенной логикой деятельности (последовательностью СА, Ц, …)

2) и исторической логикой развития видов деятельности в технике и постепенного углубления в изучаемый объект или процесс, т.е. усложнением состава признаков, необходимых для описания последующей стадии ЖЦИ (вида инженерной деятельности).

Каждому, выделенному этими логиками блоку, образовательному фрагменту ООП, соответствуют определенные по характеру и содержанию, конкретные для данной области деятельности и целевой задачи ЗУВ (конструктивные реализации элементов структуры), реализуемые соответствующей группой дисциплин или их разделов, имеющих приложение на каждом, более сложном по виду деятельности уровне (стадии ЖЦИ). И поскольку любая (и учебная) деятельность проектируется, то реализация деятельностной структуры в ООП естественным образом ориентирует на формирование проектно-деятельностной инженерной ментальности.

Последовательность “слева направо” этапов, направленных на достижение цели, сформулированной в результате системного анализа ситуации, соответствует аналитической стадии деятельности и завершается реализацией выбранного по принятым критериям оценки эффективности (качества, экономичности) варианта действий. Без последующей коррекции это структура репродуктивной деятельности. Корректирующие обратные циклы – с той или иной корректировкой и затем снова “справа – налево” определяют продуктивную (синтетическую) преобразующую практику в рамках данной целевой учебного деятельности (процесса), включая генерацию новых вариантов на базе первичных прототипов или инноваций. Если результат удовлетворителен, то данный деятельностный фрагмент завершается, его условия и результат пополняют личностный или коллективный компетентностный опыт обучающихся. При неудовлетворительном итоге и сохранении потребности, содержание тех или иных этапов корректируется до достижения желаемого, сформулированного на этапе «Ц», результата. В таких вариантах может быть востребован даже новый вариант реализации  углубление системного анализа или переформулировка цели, корректировка моделей (это показывают “обратные связи” на этапах синтеза рис.1). В конечном итоге, для последующего анализа формируется новый вариант ТО путем изменения отдельных или всех описательных признаков (они указаны справа на рис.1). Это в полной мере характерно для проектно-конструкторских уровней ГГП, следующих после базовой, которые осуществляются смежными и базирующимися на ней модулями проектной конструкторско-технологической подготовки в CAD/CAE/CAM-среде.

Для реализации парадигмы инженерного образования на основе обобщенной структуры деятельности (рис.1) необходимо выстраивать однородную структуру ООП и составляющих её дисциплин, включая ГГП, используя в качестве генерирующего ядра ту же деятельностную структуру [6]. Естественную «нишу» базовой ГГП определяют задачи моделирования и анализа геометрических моделей как подготовки в области анализа и синтеза геометрии собственно ТО, а также технологии их графического отображения и визуализации. Каждая фрагментарная учебная задача в ней тоже должна иметь признаки деятельностной структуры, создавая условия для повышения эффективности обучения. (Более развернуто см. в работе [5]). Для методических связей базовой ГГП с последующими уровнями подготовки на стадиях синтеза характерны коррекции на базе более высоких описательных признаков. Это создает предпосылки внутри- и междисциплинарных связей во всей инженерной подготовке.

Рассмотрим примерный вариант базовой ГГП (табл.1), следуя структуре рис.1 как носителя проектно-деятельностной парадигмы. Предполагаемые технологии описания и визуализации геометрии ТО на этапах обозначены в табл. 1: вербально (В), свободным рисунком (СР), рисунком на основе закономерностей косоугольной или ортогональной изометрии (ИР), фотографией (Ф), системой 2D проекционных изображений (2DИ) электронной моделью (ЭМ), ЭМД или ЭМСЕ), физическим ТО или его скульптурной моделью (ФТО). Преимущественная технология или форма для каждого этапа в таблице выделена жирным шрифтом. Вариант такой поддерживающей проектно-деятельностный характер ПКД «конструктивно-технологической» реализации проиллюстрирован примерами задания «Клапан предохранительный» (№82, альбом С.К.Боголюбова) (рис.2):

Таблица 1

Как видно, в содержании этапов синтеза (табл.1), направленных на всесторонний и педантичный анализ геометрии ТО, в качестве альтернативных средств отображения характеристик этой геометрии, предпочтение отдается электронным моделям (ЭМ). Вместе с тем подчеркивается роль вербальных описаний в разных ситуациях, воздействующих на образное мышление, как в виде устной речи, так и печатного текста.

Кроме того, если иметь в виду уровень современной комплексной информатизации производства на базе методологии CE/PLM, то для формирования профессиональной проектно-деятельностной инженерной ментальности требуются уже «межпредметные» проектно-деятельностные образовательные технологии, мобильная интеграция базовой ГГП со смежными и базирующимися на ней модулями проектной конструкторско-технологической подготовки в CAD/CAE/CAM-среде. Это предполагает, в соответствии с рис.1 расширения состава их описательных признаков, более высокого их уровня (движения вверх по схеме рис.1). Поскольку программные и аппаратные средства прикладных графических технологий и систем специфичны для конкретных направлений профессиональной подготовки, то и формирование геометро-графической компетентности проектно-конструкторского уровня для них логично осуществлять параллельно в соответствии с освоением профильных ЗУВ по направлениям. Это предполагает обеспечение межкафедральной интеграции, например, путем создания объединяющих кафедры научно-образовательных групп или научно-образовательных центров, совместных лабораторий, обеспечивающих подготовку к проектно-конструкторской деятельности, практическую и научно-исследовательскую работу. Такая практика существует в ведущих университетах США и Европы  ГГП проходит сквозь все обучение [2].

Понятно, что “одномоментный” переход от традиционного содержания и методов ГГП к проектно-деятельностной парадигме невозможен. Всё это требует большой методической подготовки не только обучающего материала, но и преподавателей. Возникает необходимость изменения стиля методической поддержки. Методические указания в формате ЭОР должны быть лаконичными, ориентировать на самостоятельный или под руководством преподавателя поиск дополнительной информации.

Назревшая необходимость формирования современного облика ГГП, так и обновление его связей с последующими уровнями подготовки предполагает наличие как системообразующей парадигмы, так и консолидацию творческих усилий научно-образовательного сообщества в поиске объективных аргументов для конкретизации составляющих «суммарного вектора» модернизации и активизации этого неизбежного процесса. В этом контексте примечателен опыт Массачусетского технологического института — публикации в открытом доступе и обсуждение с целью коррекции материалов своей образовательной программы (OpenCourseWare). Организация такой электронной библиотеки для ЭОР в ГГП (например, на базе Перми) только обогатит само образовательное сообщество и повысит уровень мотивации к самостоятельному приобретению ЗУВ в области ГГП у самих студентов.

Список литературы

1. Жураковский, В.М. Современные тенденции развития инженерного образования на основе интеграции образования, науки и инноваций / В.М. Жураковский // Модернизация инженерного образования: российские традиции и современные инновации: материалы Междунар. науч.-практ. конференции. – Якутск: Издательский дом СВФУ, 2017.
 2. Официальный сайт Всемирной инициативы CDIO в России. – Режим доступа: http://cdiorussia.ru.
3. Вербицкий, А.А. Концепция подготовки инженера в техническом вузе / Новые стандарты и технологии инженерного образования: возможности вузов и потребности нефтехимической отрасли. СИНЕРГИЯ 2017: сб. докл. Междунар. сетевой конф. – Казань: КНИТУ- КХТИ, 2017. – С.65-69. 
4. Галимов, И.Р. Основные направления развития и повышения качества инженерного образования в России / И.Р. Галимов, Л.А. Сафина, В.Р. Медведев. Новые стандарты и технологии инженерного образования: возможности вузов и потребности нефтехимической отрасли. СИНЕРГИЯ 2017: сб. докл. Междунар. сетевой конф. – Казань: КНИТУ- КХТИ, 2017. – С.77-79. 
5. Горнов, А.О. Формирование образовательных программ в контексте концепции естественной структуры (NL) инженерной подготовки / А.О. Горнов Л.А. Шацилло, Е.В.Усанова // Электронная Казань-2014: материалы шестой Междунар. науч.-практ. конф. В 2-х ч. Ч.1. − Казань: ЮНИВЕРСУМ, 2014. – С.176-184. 
6. Горнов, А.О. Инвариантная структура основной образовательной программы инженерной подготовки на основе логики деятельности / А.О. Горнов, В.В. Кондратьев, Л.А. Шацилло // Новые стандарты и технологии инженерного образования: возможности вузов и потребности нефтехимической отрасли. СИНЕРГИЯ 2017: сб. докл. Междунар. сете-вой конф. – Казань: КНИТУ- КХТИ, 2017. – С.98-103. 
 (дата обращения: 20.05.2012). 
7. Усанова Е.В. Базовая геометро-графическая подготовка в техническом вузе в контексте методологии параллельного инжиниринга/ Е.В. Усанова // Инженерное образование. – М.: Изд-во Ассоциация инженерного образования России. – 2017. – №21. – С.96-103.

Шахова Алевтина Бруновна (5 марта 2019 г. 20:46)	Здравствуйте уважаемые коллеги, очень современно и профессионально, хотелось бы услышать как в реальности это внедрено или внедряется в учебный процесс КАИ или МЭИ. ?, согласна полностью с тем что, интеграция базовой ГГП со смежными и базирующимися на ней модулями формирует профессионально-проектную деятельность инженера.  С уважением Шахова А.Б.
Тихонов-Бугров Дмитрий Евгеньевич (5 марта 2019 г. 22:05)	Здравствуйте, уважаемые авторы! Очень досконально разложено по полкам. Здорово! Пытаюсь работать в том же ключе. Кроме геометрии очень важен начальный анализ конструкции с точки зрения функциональной. Например, по этому клапану мы со студентами обсуждаем следующие проблемы: нужно ли фиксировать седло 2 в корпусе? Насколько эффективна с позиции герметричности и ресурса выбранная запорная пара конус - конус? Какие соотношения углов седла и клапана предпочтительны? Из каких соображений выбирается площадь окон корпуса? В чём смысл использования накидной гайки 3 с проходным диаметров 48? Такой анализ позволяет студенту "въехать" в конструкцию и грамотно соэдать модель. Ещё раз благодарю за интересный долад. С уважением, Тихонов-Бугров.
Горнов Александр Олегович (6 марта 2019 г. 11:57)	Уважаемые  Алевтина Бруновна и Дмитрий Евгеньевич, здравствуйте!  Благодарим за внимание к докладу  и его оценку. Мы старались проанализировать как логика деятельности и ООП на её основе (рис.1) диктует методически  и содержательно  организацию базовой  ГГП и на смежных уровнях. По сути это анализ реализации семестров по логике этапов проектных действий и процедур в “большом”.  В частности, следуя этой логике предполагается всесторонний анализ геометрии ТО, начиная с системного анализа, и её связей с показателями качества ТО (на доступном уровне). При этом средства визуализации могут быть разнообразными и привлекаться по потребности, но с предпочтением ЭМ прототипов и синтезированных вновь ЭМИ.  Каждый этап инициируется  как составляющая аналитической стадии под руководством преподавателя, а затем дополняется самостоятельной работой студента на синтетической стадии.  По логике ООП (рис.1) базовая ГГП оперирует только внешними признаками ТО.  “Геометрические модификации” на этом уровне логика  такого ООП “допускает ” только с привлечением более сложных моделей для проверки влияния модификаций на показатели качества ТО.     Что касается реализации в МЭИ, то можно говорить о отдельных авторских фрагментах, которые представлены здесь рисунками и рядом других, которые не представлены, но проверены в  традиционном учебном процессе.  Для апробации в системном виде такой парадигмы, нужна, как говорят, “политическая воля’ и целевая организация такого эксперимента. Поскольку возрастные преподаватели у нас на 0.1 ставки, то тут не до “широкой масленницы”. В КАИ Елена Владимировна ответственная за  радио факультет, там и разворачивается. Что касается политической воли руководства факультета – оно к этим начинаниям относится с пониманием, т.к. результаты от работы уже есть в виде  качества обученности. С уважением, Александр Олегович, Елена Владимировна, Людмила Анатольевна .
Тихонов-Бугров Дмитрий Евгеньевич (7 марта 2019 г. 16:46)	Александр Олегович, я всё-таки хочу уточнить: куда можно отнести мой анализ конструтивных особенностей и недостатков конструкции без которого, по моему мнению, работа над моделью превращается в обучение работе с инструментарием. С уважением, Тихонов-Бугров.
Горнов Александр Олегович (7 марта 2019 г. 18:24)	Уважаемый  Дмитрий Евгеньевич! Не  уверен, что во всех нюансах понял Ваш вопрос ….    Поэтому изложу еще  раз свою точку зрения, что, надеюсь,  поможет Вам  самому  определиться…   Вы  наверно заметили в примере на рис3 ., что в рамках функционального анализа  детали реализован  подход на основе обобщенной  трактовки     функций.  Считаю, что  уровне первичного анализа геометрии СЕ и данной детали  в рамках базовой ГГП  можно говорить о таких обобщенных функциях поверхностей, а значит составляющих функции детали вообще  – непосредственно  рабочей; адаптивной,  выполняющей функцию “сопряжения’  с другими деталями и человеком, технологической, обусловленной данной технологией формообразования и интегративной,  обусловленной традициями конструктивного решения подобных деталей, некими ресурсами или другими ограничениями и  т.д. Некоторые поверхности обусловлены не одной,  а несколькими функциями совместно… Здесь моё относится только к фронтальным занятиям, а не работе в группе энтузиастов….      Что касается более тонкого функционального анализа и, тем более геометрической модернизации, то представляется, необходимо привлечение моделей детали более высокого уровня, чем геометрические. На этом уровне, без соответствующего моделирования трудно гарантировать, что не будут затронуты физические эффекты, определяющие работоспособность и другие показатели качества изделия.  Наверно исключения есть, например когда  несогласованная геометрия деталей препятствует сборки CЕ..  Когда то я вел курс  инженерного проектирования и  у нас была  студенческая работа “ Описание технического объекта”. Среди описательных признаков первым анализировался функциональный. Мы сразу настраивали студентов, что кроме главной функции объекта, непосредственно направленной на реализацию потребительской, работа объекта сопровождается массой вторичных процессов и явлений, среди которых масса вредных …                            С  уважением А.О.
Горнов Александр Олегович (7 марта 2019 г. 21:52)	Уважаемый  Дмитрий  Евгеньевич !  Мы по поводу Ваших  опасений, высказанных в  комментарии, обращенном  Геннадию Сергеевичу  ….       Тенденции, которые Вас беспокоят возникли не вчера и не сегодня, а так давно, что в 2012г.  у нас уже были основания написать, то что мы написали в статье “ГГП – состояние, тенденции , прогнозы“.  Поскольку сервер  вроде  не сохранил материалы  КГП2012 приведем цитату из этой статьи ”……. В этом контексте (т.е. содержания той  статьи (А.О), учитывая и зарубежный опыт, можно предвидеть такие сценарии. Кафедры графики усиливают свое влияние, реагируя на ведущие тенденции и потребности учета межпредметных методологий (СЕ, РLМ, NL) и продолжают развиваться.  Или ... потребности специальных кафедр совместить геометро-графическую подготовку с решением своих образовательных задач, используя возможности современных пакетов КГ, перетянут одеяло на себя … Наш прогноз, как и любой другой, может оправдаться полностью или частично, но если на небе тучи и обещают дожди,  то лучше  подготовиться и взять в дорогу зонтик “.     Полагаем, что в целом, зонтик нами (но не всеми) так и не был открыт, уповая, что солнце старой парадигмы будет светить вечно ..  Что касается парадигмы ГГП в виде инженерной геометрии и графики , в своей статье мы предложили её эскиз, на основе объективных закономерностей .  ... Открывая маленький авторский секрет сознаемся, что  первая версия статьи называлась “ Вечна ли традиционная парадигма  ГГП ?? “ А еще мы недавно написали, что не надо искать виновных на стороне…         С уважением, Александр Олегович, Елена Владимировна, Людмила Анатольевна . P.S. Если файл той статьи нужен, желающим вышлем .
Тозик Вячеслав Трофимович (18 марта 2019 г. 22:44)	Здравствуйте, уважаемые авторы! Спасибо за прекрасный доклад. Воистину супер-системный подход к построению модели инженерного образования. В.Т.Тозик
Горнов Александр Олегович (18 марта 2019 г. 23:26)	Вячеслав Трофимович, здравствуйте ! Спасибо !  Разрешите встречный комплемент ...  Вы  один из очень немногих , кто, судя по всему. внимательно разобрался, что к чему и  в чем объективная основа предлагаемой  структуры   ВТО  и её потенциального приложения к  обновлению парадигмы  ГГП. С удовольствием отметили бы , что стали нашим единомышленником, в том числе  сознательно и самостоятельно пропагандирующим структуру . В других, более ранних,   публикациях мы трактуем её  как естественную структуру инженерного образования .( NANURAL  ОССURING  LEANING )  С  уважением, А.О. Л.А. Е.В,