ОПЫТ ОБУЧЕНИЯ УЧАЩИХСЯ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ДОВУЗОВСКИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЯХ

В статье представлена программа изучения основ геометрического моделирования школьниками начальных и средних классов. Представлены результаты проектной деятельности, достигнутые учащимися старших классов.

При создании новых изделий разработчики все чаще используют методы компьютерного моделирования. Такие методы позволяют решать вопросы по оптимизации конструкции и технологии до изготовления детали.

Компьютерное моделирование физических воздействий на объект проектирования в процессе изготовления и эксплуатации осуществляется при наличии его геометрической модели в целом или геометрических моделей входящих деталей.

В зависимости от сложности геометрии проектируемой детали различают два подхода:

• проектирование деталей и способов их изготовления на основе плоских (2D) моделей;
• проектирование на основе объемных (3D) моделей.

Плоское компьютерное геометрическое моделирование является естественным продолжением традиционного геометрического моделирования в виде чертежа, осуществляемого с помощью карандаша и линейки. Объемное геометрическое моделирование, хотя и является новым инструментом проектировщика, также позволяет создавать в автоматизированном режиме плоские (ассоциативные с 3D) геометрические модели. В то же время, объемные модели изделий более естественны для восприятия человеком, живущем в «объемном» мире, поэтому начинать изучение графического языка в школе, на наш взгляд, следует с него.

Реализация такого подхода требует учета следующих положений:

• изучение законов макро и микромира с точки зрения геометрических представлений, наряду с такими дисциплинами как физика, химия, биология и др. позволяет учащимся получить более полную картину мироздания;
• основой курса геометрического моделирования является обучение школьников методам получения графических изображений. В обучении должны быть отражены все этапы усвоения знаний. Работы с творческим содержанием должны использоваться при изучении всех разделов курса;
• геометрическое компьютерное моделирование физически существующих объектов неотделимо от развития мышления школьников. На уроках геометрического компьютерного моделирования учащиеся решают разноплановые задачи, что целенаправленно развивает у них образное, логическое, техническое и эвристическое мышление. Средствами компьютерного геометрического моделирования у школьников успешно формируется аналитические и созидательные компоненты творческого мышления;
• обучение компьютерному геометрическому моделированию базируется на принципах востребованности знаний и связи с жизнью. При подборе и составлении учебных заданий важно следить за тем, чтобы их содержание моделировало элементы деятельности специалистов, а графические работы имели прототипами реально существующие объекты. В процессе обучения необходимо осуществление межпредметных связей геометрического моделирования на ПЭВМ с черчением, трудовым обучением, математикой, изобразительным искусством, информатикой и другими дисциплинами;
• изучение основ геометрического компьютерного моделирования плоских и объёмных объектов является необходимым условием дальнейшего обучения учащихся использованию новых информационных технологий в современном проектировании, конструировании и промышленном производстве;
• углублению знаний по геометрическому компьютерному моделированию способствуют сведения по основам программирования геометрических объектов и сведения о современных технических средствах и методах изготовления деталей по их геометрическим моделям.

3D моделирование, развивая, в первую очередь, пространственные представления школьников, способствует более глубокому освоению таких предметов как геометрия, технология и пр., позволяя решать, в том числе, вопросы ранней профориентации.

Полученные с натуры геометрические модели деталей и построенные по ним рабочие чертежи возможно использовать в качестве раздаточного материала на уроках трудового обучения, в том числе для разработки управляющих программ для получения деталей на станках с ЧПУ.

Перспективна связь геометрического моделирования с информатикой, когда геометрические модели (базовые элементы формы) созданные в среде АDЕМ могут быть описаны в любом текстовом редакторе (с использованием языков высокого уровня (ЯВУ).

В качестве примера обсуждаемой концепции приведем краткое содержание авторской программы курса «Теория и практика компьютерного моделирования», по которой в период 1988 - 2001г.г. проводилось обучение школьников всех параллелей в музыкально-математической гимназии № 2 г. Самары.

Курс условно разбит на четыре части: геометрическое моделирование, компьютерная графика, основы программирования изображений геометрических объектов, технические средства и методы изготовления изделий. Первый блок изучали в пятом и шестом классах (3 семестра), второй – в шестом и седьмом (3 семестра), третий – в восьмых классах весь год, четвертый – в течение года в девятых.

Цель курса: научить школьников в режиме диалога с компьютером создавать объемные (твердотельные) и плоские модели проектируемых и природных объектов, а также применять приобретенные знания при решении творческих задач, связанных с созданием новых изделий.

Программа раздела «Геометрическое моделирование» (1 час в неделю, всего 51 час, 9 час. резерв времени): введение (2 час.) - геометрическое моделирование в современной науке и технике; цели, задачи и содержание курса геометрического моделирования в школе;  САD/CAM ADЕМ, трехмерный редактор, структура функционального меню; методика работы в среде модуля  ADEM3D (37 час.) - базовые элементы формы (БЭФ), работа с архивом параметрических моделей БЭФ, чтение БЭФ и представление их в форме каркаса и твердого тела в ортогональных, аксонометрических и перспективных проекциях; чтение и запись файлов, работа с «окнами»; цветовое отображение БЭФ, закраска каркаса, внешней и внутренней поверхности БЭФ, инверсия; однотоновая, полутоновая и матричная закраска поверхностей; фото реалистическое представление БЭФ, работа с цветовой палитрой; конформные преобразования БЭФ, топологические преобразования БЭФ, работа с сечениями БЭФ: поворот, перенос, масштабирование отдельных сечений; выполнение булевых операций с БЭФ, моделирование детали из отдельных БЭФ и получение ее ортогональных проекций; обобщение знаний (3 час.).

Программа раздела «Компьютерная графика и моделирование по чертежу» (1 час в неделю, всего 51 час, из них 9 час. - резерв времени): техническое рисование (13 час.) - особенности плоско-графического редактора системы ADEM, структура меню; рисование базовых геометрических элементов (БГЭ) с атрибутами их заполнения, особенности построения; редактирование БГЭ – конформные и топологические преобразования; работа с узлами, их группами и геометрическими элементами; построение копий, зеркального отображения, осуществление переноса, поворота, масштабирования изображений; способы создания объемных моделей по чертежу (13 час.): операции лифт, сечение, труба, простые и сложные БЭФ; черчение (13 час.) - вспомогательные построения, работа на черновых листах; размеры листа, оформление основной надписи; геометрическое черчение - выполнение чертежа детали с построением сопряжений и касательных; проекционное черчение - выполнение чертежа детали с использованием проекционных связей; особенности выполнения фрагментов чертежа, выполнение рабочего чертежа детали; обобщение знаний (3 час.).

Программа третьего блока  «Основы программирования геометрических объектов» (1 час в неделю, всего 34 часа, из них 6 часов - резерв времени) включает в себя:  введение (1 час) – возможности подпрограмм базовой машинной графики; начала аналитической геометрии и векторной алгебры (12 час.); операции графического редактирования (14 час.) - построение линий чертежа, сопряжений, наглядных изображений и чертежей деталей; обобщение знаний (1час).

Содержание программы четвертого блока «Моделирование технологических процессов изготовления деталей по их геометрическим моделям» (1 час в неделю, всего 34 часа, из них 6 час. - резерв времени) состоит из следующих тем: технические средства ввода и вывода объемной графической информации (4 часа) - координатно-измерительные машины и устройства, конструкции станков с числовым программным управлением (ЧПУ), инструмент и приспособления, принципы числового программного управления; основы технологии изготовления деталей (4 часа) - проектирование операционных технологических процессов при обработке резанием; автоматизированное проектирование технологического процесса обработки деталей в среде NC редактора CAD/CAM ADEM (8 час.) - структура и назначение функционального меню, методика процесса получения управляющих программ, создание последовательности технологических переходов, моделирование процесса обработки на экране дисплея, получение и просмотр управляющей программы, разработка техпроцесса и получение управляющих программ для обработки на токарных и фрезерных станках, на изготовление отверстий в деталях на сверлильных и расточных станках, на изготовление деталей резкой (проволокой или лазером); автоматизированный выпуск технологической документации (6 час.) – выпуск операционных эскизов, операционных карт, графических технологий; экскурсия на промышленное предприятие (4 часа); обобщение знаний (2 часа).

Подготовка учащихся по аналогичным программам в более чем 10 учебных заведениях Самарской области позволила организовать и провести в то время 4 конкурса учащейся молодёжи Самарской области по технической и компьютерной графике, 3 областных научно-технических конференции учащихся, 2 олимпиады.

В апреле этого года в Тольятти в одиннадцатый раз состоится очередной, ежегодный межрегиональный конкурс "Компьютерная графика и её применение в производстве", в котором традиционно принимают участие как учащиеся младших, средних и старших классов: в номинациях CAD (3D) моделирование и CAD/CAM моделирование и изготовление изделий, так и преподаватели с методическими разработками по выполнению проектов в тех же номинациях.

В качестве примеров (см. презентацию) представлены проекты, выполненные учащимися и представленные на конкурсы в 2013 - 2015 г.г.

ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ

В приложениях (А, Б, В) представлены пояснительные записки к проектам.

Приложения к статье Чемпинского

Тихонов-Бугров Дмитрий Евгеньевич (18 марта 2019 г. 15:50)	Леонид Андреевич, как известно никакой графики в школьной программе давно нет. За счёт каких ресурсов проводились такие занятия в музыкально-математической школе? Делали что-нибудь руками? Что происходило после 2001 года? В 1984 году в рамках уроков труда в 74 школе Санкт-Перербурга проводилось проектное обучение: школьники выпускали чертежи светильников, подбирали материалы, изготавливали с привлечением учителя физики (электрика, тепловой режим) и химии (покрытие). А теперь вместо этого - ТЕХНОЛОГИЯ - предмет ни о чём, вернее обо всём понемногу.    С уважением, Тихонов-Бугров.
Абросимов Сергей Николаевич (18 марта 2019 г. 17:12)	Уважаемый Леонид Андреевич! Можно только поздравить Вас и Ваших подвижников, и  порадоваться за Ваших подапечных (одарённых школьников). С рамках ТЕХНОЛОГИИ они могли работать с современном программным обеспечением (ADEM) и имели выход на стереолитографию ObjetEdem350 и ЛС250, а также пользоваться станкам с ЧПУ (Wabeco и AGIE) и посещать CAM центр. В каждой бы музыкальной школе были такие возможности. С наилучшими пожеланиями и успехов в такой объёмной и серьезной работе, Абросимов С.Н.
Тихонов-Бугров Дмитрий Евгеньевич (18 марта 2019 г. 20:35)	Сергей Николаевич! Посмотрите программу предмета технология и Вам станет ясно, что в этих рамках осуществить предложенное нельзя. Разделы и темы  Количество учебных часов    5 кл  6 кл  7кл  8кл  9кл    Р  Т  Р  Т  Р  Т  Р  Т  Р  Т  1. Технология обработки пищевых продуктов.  12    12    12    12    14    2.Техника (элементы машиноведения).  4   6    2    2    2    З.Основы проектирования  4    4    4    6    4    4. Информационные технологии -   -   2   2   4   5.Технология обработки тканей. 5. 1 .Материаловедение 5.2.Конструирование и моде­лирование 5.3. Технология изготовле­ния.  28  4  6 18  24  4 6 14  28 4  6 18  32 2  10 20 22  2  6 14 6. Культура дома.  2    2    2    2    4    7. Электротехника и электроника 2   2   2   2   2   8. Художественная обработка материалов.  8.1. Вязание 8.2.Вышивка  8.3. Вязание крючком   18  10 8 -  18  10 8  - 16  8  8  - 8  - 8  - 12  - 12 12 9.Профессиональное самоопределение.  -  -  2  -  2  -  2  -  2  -  10. Основы предпринимательства - - - - - - - - 2   Итого:  70  70 70  68  68
Чемпинский Леонид Андреевич (19 марта 2019 г. 15:37)	Здравствуйте уважаемые коллеги,  Дмитрий Евгеньевич и Сергей Николаевич! Спасибо за проявленное внимание к представленной мной работе и пожелание дальнейших успехов. Да, уважаемый Дмитрий Евгеньевич, я с Вами согласен: формально в наше время (в рамках 20-30 часов в год, отводимых на разделы «5.2.Конструирование и моде­лирование и 5.3. Технология изготовле­ния» т.н. «образовательной области Технология»)  что-то сделать практически - трудно. То же можно сказать об опыте работы в школах «на рубеже веков», когда, в частности, в музыкально-математической гимназии № 2 г. Самары оставили только уроки «обслуживающего» труда (всё оборудование производственных мастерских успели сдать в металлолом). Преподавание «Технологии» в школах тогда только обсуждалось в контексте 12-и летнего образования. Не вдаваясь в подробности, отмечу, что работа  со школьниками в новом направлении изначально являлась инициативной и в полном смысле альтруистической, без расчёта на достойную оплату или  быстрое признание. Тем не менее, такая деятельность не осталась незамеченной.  Она нашла своё продолжение в сфере дополнительного образования и элективных курсах в школах г. г. Тольятти, Жигулёвска, Сызрани и др. (в среде т.н. «энтузиастов»  - людей  неравнодушных к детям и к своей профессии): я уже тут писал о ежегодно проводимом ими конкурсе работ.  Каждый год после проведения очередного конкурса организаторы проводят семинар по обмену опытом (а в рамках семинаров - мастер-классы). Попытки возродить аналогичную работу в Самаре практически ни к чему не приводят. Представленные здесь (не  полностью) проекты являются демонстрацией факта: «можем, если захотим».  Чтобы получить результат, например, в Самарском международном аэрокосмическом лицее, пройти элективный курс («на халяву»: не вложив ни копейки в приобретение знаний и дальнейшее изготовление изделий на оборудовании и специалистами института – ИДЭУ)  ежегодно изъявляли желание 55-60 десятиклассников. «Выход годного»  при этом составил не более 8-10%. К слову, все авторы проектов, приведённых в качестве примера в моём докладе, учиться технической специальности в вузе «передумали».
Чемпинский Леонид Андреевич (19 марта 2019 г. 15:54)	P.S. К сожалению, видимо после опубликования доклада уважаемого Вячеслава Трофимовича, в ступор (судя по активности) впали не только участники конференции, но и технические средства поддержки диалогов: мне, в результате 30 мин. попыткок передать по сети комментарий всё же удалось его передать, но не полностью. Как живём, то и имеем. С уважением, Чемпинский Л.А.
Тихонов-Бугров Дмитрий Евгеньевич (19 марта 2019 г. 16:21)	Леонид Андреевич, здравствуйте! Спасибо за ответ. Я так и думал. Всё держится на альтруистах. Нам, правда помогает замечательная организация "ИНТЕЛЛЕКТ", окучивающая талантливых ребятишек Ленинградской области. Правда, победители наших школьных олимпиад и конкурсов технике не изменяют (за исключением одной девочки, которая сказала, что будет прокурором). К стати, на конференции зарегистрировалась В.А.Уханёва - замечательный учитель, мастер обучения КГ. Жду, что она что-нибудь скажет. Позвольте вопрос немного по другой теме. С одной стороны содружество кафедры графики с профилирующей - очень здорово, тем более, что 3- 4 преподавателя работают и там и там. Мне известен случай, когда в целях экономии, выполнения указа о повышении зарплаты руководство решило так: теоретической базы на графике в связи с сокращением НГ нет, значит и кафедры нет. А всё остальное возьмёт на себя профилирующая. Как Вам такая перспектива?  С уважением, Тихонов-Бугров.
Чемпинский Леонид Андреевич (20 марта 2019 г. 14:02)	Здравствуйте уважаемый Дмитрий Евгеньевич! 1.Мы (я и мои коллеги, т.н. «команда единомышленников»)  как раз исходим из того что, как Вы совершенно правильно заметили:  «содружество кафедры графики с профилирующей - очень здорово, тем более, что 3- 4 преподавателя работают и там и там». На самом деле так было не всегда. Желание заниматься сугубо своей «работой» и 30 лет назад приводило, мягко говоря, к отторжению заслуг кафедры ИГ: «…и чем там они занимаются? К нам приходят студенты, как правило, не подготовленные – не способные к выпуску технической документации в надлежащем виде и пр., и вообще…». Тогда же был сделан вывод: чтобы, как сейчас говорят, «быть в тренде», необходимо взять на себя ответственность за графо-геометрическую подготовку не только студентов на кафедре ИГ, но и преподавателей (!) на других, в т.ч. выпускающих, кафедрах факультета (теперь института – ИДЭУ). Более того («чтобы быть успешным, нужно быть кому-то полезным»  - моя цитата из «кулуаров» нашей конференции) необходимо было принять  участие в конкретной, актуальной для выпускающих кафедр работе: например, перевести в электронную форму с синек раздаточный материал в виде продольных разрезов авиационных двигателей или создать базу заданий (комплекта рабочих чертежей деталей) к курсовому проекту по технологии в электронном виде (задействовав для этого студентов).  Другими словами, не быть «на подхвате»,  а «закрывать на равных» все вопросы, связанные с обеспечением графо-геометрической и (в новых условиях) геометро-модельной подготовки с использованием ПЭВМ и ПО в ИДЭУ, реализовав тем самым сквозную подготовку специалистов. 2.С момента основания кафедры ИГ «теоретической базой» никто не занимался (все к.т.н. - специалисты в разных областях): при желании, исходя только из этого факта,  кафедру могли задушить «в зародыше» или в любом другом "удобном" случае. С другой стороны, дирекция ИДЭУ и сейчас, пользуясь новыми полномочиями в распределении ресурсов, в случае «несоответствия уровня обеспечения конечных целей» вправе (чтобы «карась не дремал») принять решение о переводе ГГП и ГМП, например, на одну из выпускающих кафедр. С глубоким уважением (я знаком с Вашей позицией и во многом с Вами солидарен) Чемпинский Л.А.
Тихонов-Бугров Дмитрий Евгеньевич (20 марта 2019 г. 14:16)	Леонид Андреевич, здравствуйте! Большое спасибо за ответ. Вы очень удачно нащупали исходные контакты с профилирующей кафедрой. Мне понравилось замечание по поводу графо-геометрической подготовки преподавателей других кафедр. Мы пытаемся это делать через нормоконтроль дипломных проектов. Получается не очень здорово. Ещё раз спасибо, с уважением, Ваш Тихонов-Бугров.