Компьютерные технологии в системе подготовки инженерных кадров



Современное производство выделяет решающую роль компьютерному моделированию. В XXI веке, веке компьютерных технологий, высокий уровень автоматизации деятельности инженера выступает на первый план. Соответственно, высшее техническое образование должно обеспечить подготовку специалистов инженерных специальностей таким образом, чтобы они были востребованы на рынке труда. Таким образом, необходимо внедрять в образовательный процесс базовой графической подготовки студентов современные компьютерные технологии.

Дисциплины «Начертательная геометрия» и «Инженерная графика являются базовой графической подготовкой студентов технических университетов, обеспечивающей геометро-графическую компетентность будущих выпускников. В результате студенты формируют знания о месте и роли графических объектов в инженерной деятельности. В настоящее время в высших учебных заведениях все более реализуется комплексная геометро-графическая подготовка, формирующая у студентов умение выполнять графические построения с использованием компьютерных программ. Но следует учитывать тот фактор, что использование компьютерных программ невозможно без базовой подготовки студентов.

Используя графические пакеты, студент должен иметь представление о конечном итоге построений, что, конечно, возможно только при наличии знаний в области ЕСКД, начиная с выбора типа и веса линий, надстроек шрифта и заканчивая простановкой размеров и конечным оформлением графической работы.

В настоящее время все чаще приходится слышать от студентов претензии на выполнение чертежей «вручную», ссылаясь на желание использовать компьютерные программы. Однако, применение компьютерных программ в данной ситуации преждевременно, так как большее количество студентов абсолютно не имеют навыков черчения. Так как базовые дисциплины «Начертательная геометрия» и «Инженерная графика» изучаются на первом курсе, то преподаватели данных дисциплин сталкиваются с проблемами в графической подготовке студентов, что связано чаще всего с отсутствием черчения в школьной программе.

У большинства студентов отсутствуют элементарные представления о геометрических фигурах, взаимном положении точек и линий, они не могут синтезировать целостный образ по изображению на чертеже. Исследования, проведенные К. А. Вольхиным, Н. И. Паком [1], к сожалению, подтвердили перечисленные факты. Авторы предложили студентам-первокурсникам перед началом изучения вузовских графических дисциплин пройти анкетирование и тестирование и получили результат: по двум ортогональным проекциям параллелепипед не узнал ни один студент, а прямой круговой конус узнали 14 % респондентов. В основном, вместо изображенных на чертеже трехмерных объектов, опрошенные студенты узнавали плоские геометрические фигуры: в проекциях параллелепипеда видели два прямоугольника (71 %), а конуса — различные сочетания треугольников, окружностей и кругов (57 %). В то же время узнавание плоских геометрических объектов не вызывает трудностей для студентов первого курса технического университета. Прямоугольник, изображенный на чертеже, узнало 96 % опрошенных студентов первого курса, а круг (окружность) — 82 %. Однако, предположение о том, что на чертеже изображен трехмерный объект было очень редким: 14 % в прямоугольнике увидели параллелепипед или проекцию цилиндра и 32 % в окружности — шар или сферу.

Следовательно, первокурснику сначала необходимо приобрести знания ЕСКД и получить навыки черчения. После приобретения базовых знаний, можно переходить к освоению компьютерных программ.

В последнее время преподаватели технических ВУЗов разрабатывают и внедряют различные модели подготовки с использованием компьютерных технологий. Так, к примеру, преподаватели Пермского национального исследовательского политехнического университета Александрова Е. П., Носов К. Г. и Столбова И. Д. разработали инновационную модель геометро-графической подготовки, представленную на рисунке 1, направленную на формирование геометро-графической компетентности и актуализирующая роль информационных технологий в обучении.

Необходимо отметить, что при разработке и использовании модели необходимо ясно сформулировать какие знания необходимо до вести до понимания студенту и каковы будут практические умения в области владения информационными технологиями.

Рис. 1. Модель геометро-графической подготовки [2]

Как видно из схемы, при реализации разработанной модели практически на всех его этапах обучения используются различные возможности компьютерных технологий. В таблице 1 приведены основные функции информационных технологий, используемых в образовательном процессе.

Таблица 1

Функционал информационных технологий впроцессе обучения [2]

Функция	Назначение вучебном процессе
Познавательная	Инструментальная составляющая геометро-графической подготовки
Иллюстративная	Наглядное представление графического материала для всех видов учебных занятий
Учебно-эвристическая	Реализация творческих подходов при разработке алгоритмов решения геометрических задач с использованием возможностей компьютерных технологий
Анимационно-технологическая	Помощь в восприятии сложных алгоритмов решения геометро-графических задач при их динамическом представлении
Контролирующая	Автоматизация контроля результатов обучения на всех этапах учебного процесса
Проектно-конструкторская	Приобретение студентами навыков работы в графических системах CAD при выполнении учебных проектов
Справочно-информационная	Работа с электронными библиотеками справочных материалов
Практико-направленная	Приобретение навыков использования современных компьютерных технологий проектирования и опыта создания реальных изделий на основе 3D-моделирования

В соответствии с разработанной моделью геометро-графической подготовки и определенному функционалу информационных технологий в процессе обучения разработан учебно-методический комплекс, обеспечивающий все формы и виды учебной деятельности при обучении графическим дисциплинам, представляющий собой совокупность отдельных программных разработок для методической поддержки образовательного процесса и формирования геометро-графической компетентности студентов.

Среди областей применения информационных технологий в обучающем модуле можно выделить следующие:

– лекционные и практические занятия;

– электронные учебные пособия;

– контрольное тестирование студентов;

– олимпиады по компьютерной графике.

Лекционные ипрактические занятия

Проведение занятий с использованием мультимедийных технологий позволяет наглядно представить необходимую информацию студентам. Однако следует учитывать, что чтение текста презентации преподавателем рассеивает внимание студентов и делает занятие скучным, поэтому необходимо применение различных образовательных технологий. В связи с этим, можно выявить эффективные приемы подготовки учебной информации:

– Системная организация учебного материала;

– Краткий текстовый комментарий;

– Фреймовая структура подачи материала;

– Сочетание пространственной модели и плоского изображения;

– Сопровождение информационного материала алгоритмом построения;

– Использование целесообразной анимации, цветовых и динамических акцентов;

– Подготовка печатных основ для составления конспекта и решения задач.

Для организации эффективной самостоятельной работы студентов необходима разработка учебных графических заданий с применением современных информационных технологий, включая наиболее востребованное в проектно-конструкторской практике 3D-моделирование.

Представим один из вариантов использования 3D-моделей при решении геометрических задач.

На рисунках 2 и 3 приведен пример выполнения задания по теме «Пересечение поверхностей», для выполнения которого необходимы базовые знания алгоритма построения линии пересечения заданных поверхностей. Но, в отличие от традиционных приемов построения, используется виртуальная 3D-модель.

На первом этапе создается модель пересекающихся поверхностей, т. е. построение кривой пересечения выполняется при помощи компьютерной программы. В дальнейшем, теоретические знания алгоритма построения кривой пересечения по точкам, позволят студенту провести анализ данной кривой, определить опорные точки линии пересечения и выбрать наиболее наглядные расположения полученной модели. Затем результаты оформляются в распечатанном виде.

Рис. 2. Линия пересечения конуса и сферы: а) модель пересекающихся поверхностей; б) линия пересечения на виде сверху; в) линия пересечения на виде спереди

Рис. 3. Линия пересечения конуса и цилиндра: а) модель пересекающихся поверхностей; б) линия пересечения на виде спереди; в) линия пересечения на виде сверху; г) линия пересечения на виде слева

Электронные учебные пособия

Как известно, в последнее время сокращены объемы аудиторной нагрузки, поэтому возникает необходимость организации самостоятельной работы студентов. Но, к сожалению, не всегда возможно обеспечить каждого студента необходимыми бумажными пособиями. В этой ситуации применение электронных учебных пособий — наиболее приемлемый вариант. Электронные пособия приветствуются студентами вследствие своей доступности в любое время и в любом месте нахождения студента, а также помогают избежать не всегда результативного поиска необходимого пособия. Кроме того, электронные пособия могут выступать и средством самоконтроля студента.

Контрольное тестирование студентов

Несомненно, тестирование является для преподавателя одним из эффективным средством контроля за усвоением материала студентами. Но следует отметить, что целесообразнее совмещать организацию тестирования как с применением компьютерных технологий, так и с непосредственным общением с преподавателем, что даст более полную картину подготовки студента и будет способствовать самому студенту полноценнее раскрыть свои знания и умения.

Студенческие олимпиады по компьютерной графике

Проведение олимпиад позволяет студенту проявить свои знания и умения в области компьютерной графики и мотивирует учебную деятельность студента. Кроме того, олимпиады позволяют студенту научиться самостоятельному решению поставленных задач без дополнительной помощи со стороны преподавателя, тем самым концентрируя его внимание на главных аспектах.

Принимая во внимание все положительные аспекты использования компьютерных технологий возникает вопрос — какие графические программы следует рекомендовать для применения в образовательном процессе и на каком этапе освоения дисциплины.

В России в середине 80-х на рынке программного обеспечения появилась американская фирма Autodesk, разработчик программы АutoCAD, которая применяется во многих отраслях. Эта система является замечательным «электронным кульманом», позволяет автоматизировать труд в части черчения на листе бумаги. При этом следует отметить, что результат работы на компьютере напрямую зависит от знаний пользователя. Необходимы теоретические знания для правильного управления программой.

При введении программы AutoCad в учебный процесс можно рекомендовать следующие этапы подачи материала студентам:

1. Сведения из области ЕСКД

– типы линий и порядок их выбора;

– масштабный ряд и рациональный выбор масштаба;

– шрифты: размерный ряд и правила отображения текстового материала;

– изображения: выбор количества и расположение на чертеже;

– простановка размеров;

2. Настройка интерфейса программы AutoCad с учетом полученных теоретических знаний;
3. Базовые теоретические сведения по изучаемой теме из разделов «Начертательной геометрии» или «Инженерной графики»;
4. Дальнейшее изучение программы AutoCad с созданием двух- и трехмерных моделей.

В итоге подобного комплексного подхода студент должен уметь оценивать полученный результат, давать грамотную команду программе, понимать и представлять, что и как должно выглядеть на чертеже, полученном с использованием программы.

В заключении хотелось бы подчеркнуть, что использование компьютерных технологий в инженерно-графической подготовке студентов, несомненно, является необходимостью в настоящее время. Однако без теоретической базы графической подготовки это становится бессмысленно и нерационально. Только обдуманное и умелое применение информационно-компьютерных технологий сделает учебный процесс более совершенным и позволит существенно улучшить качество подготовки специалистов.

Литература:

1. Вольхин, К.А., Пак, Н. И. О состоянии графической подготовки учащихся в школе с позиции информационного подхода // Вестник Красноярского гос. пед. ун-та им. В. П. Астафьева. Т.1. Психолого-педагогические науки. — 2011. — № 3. — С. 74–78
2. Александрова, Е.П., Носов К. Г., Столбова, И. Д. Организация графической подготовки студентов на основе информационно-коммуникационных технологий [Электронный ресурс] // URL: http://dgng.pstu.ru/conf2017/papers/1/ (дата обращения 05.02.2018).
3. Кривоносова, Е. И. Информационные технологии в инженерно-геометрической подготовке студентов // Инженерный вестник: электронный научно-технический журнал МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2015. № 6. [Электронный ресурс] // URL: http:engbul.bmstu.ru/doc/765067.html (дата обращения 05.02.2018).
4. Коростелёв А. И., Коростелёва О. Н. Процесс обучение, содержание учебного материала и методы обучения в сельскохозяйственном ВУЗе // Успехи современного естествознания. — 2007. — № 3. — С. 50–53
5. Борисова, И.И., Ливанова, Е. Ю. Интерактивные формы и методы обучения в высшей школе: учебное пособие / И. И. Борисова, Е. Ю. Ливанова. — Н. Новгород. — 2011. — 65 с.