Применение CAD системы

в обучении студентов интегрированному курсу

«Инженерная и компьютерная графика»

Т.С. Москалёва,

зав. каф., к.т.н, доц.,

О.М. Севостьянова,

доц., к.пед.н,

Самарский государственный технический университет, eg@samgtu.ru, г. Самара

Аннотация

В работе представлена технология обучения студентов интегрированному курсу «Инженерная и компьютерная графика». Интеграция способствует высокому уровню систематизации знаний, их уплотненности и экономичности, предполагающей устранение дублирования в изложении материала учебных предметов, а также необходимостью усиления профессиональной направленности графических дисциплин.

Abstract

The following paper introduces the technology of teaching an integrated course “Engineering and Computer graphics”. The integration facilitates a high level of information systemization which makes the knowledge consolidated and efficient and helps to eliminate the overlapping of the subject content. It also shows the necessity of making graphics disciplines more professionally oriented.

Проблема развития творческих способностей студентов становится все более актуальной в связи с повышением роли двух системообразующих факторов: конкуренции качества и компьютеризации интеллектуальной деятельности инженера. Поэтому ориентация студентов на поисковое конструирование должна осуществляться с начального периода обучения в техническом вузе. И здесь важную роль играет инженерная графика - учебная дисциплина, в которой формируются первые навыки студентов в техническом проектировании. Инженерная графика переживает сейчас период коренных изменений, связанных с автоматизацией подсистемы графического обеспечения САПР. Кроме того, наметилась тенденция к сокращению часов на изучение графических дисциплин. Возникает необходимость пересмотра содержания учебных курсов, разработки и внедрения инновационных методов обучения студентов.

На кафедре «Инженерная графика» Самарского государственного технического университета разработан курс «Инженерная и компьютерная графика». Основной целью интегрированных курсов является обеспечение усвоения студентами взаимосвязанных научных понятий инженерной и компьютерной графики на уровне, достаточном для осуществления алгоритмической и эвристической, познавательной деятельности. Для определения содержания курса «Инженерная и компьютерная графика» был выделен инвариант – формирование у студентов знаний и графических навыков, необходимых для дальнейшего обучения специальным дисциплинам.

На изучение разделов инженерной графики по учебному плану выделяется 34 часа, а на компьютерную графику - 17 часов. В интегрированном курсе «Инженерная и компьютерная графика» объединяются аудиторные часы на изучение данных дисциплин. Интеграция способствует высокому уровню систематизации знаний, их уплотненности и экономичности во времени, предполагающей устранение дублирования в изложении материала учебных предметов, а также необходимостью усиления профессиональной направленности графических дисциплин.

Практические занятия по интегрированному курсу проводятся в среде «Компас», включающий в себя два модуля: «Компас-График» двухмерного проектирования и «Компас-3D» трехмерного моделирования. Эта система автоматизированного проектирования среднего уровня, максимально настроенная под российские стандарты. Система содержит средства параметрического твердотельного и поверхностного моделирования деталей и сборочных единиц, создания чертежей по пространственной модели, удобные средства простановки размеров, оформления чертежей, создания спецификации в ручном и полуавтоматическом режимах.

Для эффективного обучения студентов компьютерной графике применяется видеопроектор, позволяющий преподавателю продемонстрировать основные приемы работы в графическом редакторе «Компас». При изложении нового учебного материала по инженерной графике применяются обучающие мультимедийные программы. Учебный материал дозируется на определенные порции (укрупненные дидактические единицы), представленные в графическом изображении на слайде, которые воспринимаются как образ в едином пространстве и времени. Предъявляемая учебная информация структурирована таким образом, чтобы каждая порция информации обеспечивала изучение какого-либо одного существенного признака изучаемого объекта, абстрагируясь от других его признаков, что способствует успешности таких логических операций мышления как анализ, сравнение, абстракция. Использование анимированных фрагментов позволяет наглядно представить весь изучаемый материал, сконцентрировать внимание на отдельных наиболее трудных местах, многократно повторить его быстро, без больших временных и энергетических затрат. Наглядность и красочность образно представленной информации концентрирует внимание обучаемых и снижает потребность в волевом регулировании процессов восприятия и осмысления. При переходе к новой порции информации в формирующемся образе сохраняются в свернутом виде «следы» предшествующих порций. В итоге снижается вероятность «замещения», то есть вытеснения данной порции информации из кратковременной памяти. Учебный материал проецируется с помощью видеопроектора на большой экран. Использование компьютерных технологий сокращает время на изложение учебного материала, позволяет рассмотреть множество примеров, применить методы проблемного обучения (проблемное изложение и частично-поисковый метод). Разумное сочетание традиционных, инновационных методов и компьютерных технологий способствует глубокому эмоциональному восприятию, непроизвольному запоминанию учебного материала, формированию пространственно - образного и креативного мышления. Обучающие мультимедийные программы применяются и в качестве «компьютерного консультанта», при подготовке студентов к практическим занятиям и к экзаменам. Для этого используются гиперссылки между кадрами и «горячие» кнопки. В этом случае студент перестает быть пассивным получателем информации и становится активным участником учебного процесса. Программы работают как в ручном, так и автоматическом режиме. Это позволяет самим студентам выбирать темп работы, при этом времени на закрепление учебного материала затрачивается значительно меньше, чем при традиционных методах. Такие программы дают возможность организации многократных повторений и высокую доступность изучаемого материала. Изобразительность видеоряда, сочетание аудиальной и визуальной репрезентативных систем модальностей создает оптимальные условия формирования у студентов прочных знаний. Таким образом, представление учебного материала в обучающих мультимедийных программах должны соответствовать вербально-логическому, сенсорно-перцептивному и представленческому уровням когнитивного процесса.

На первом практическом занятии интегрированного курса изучается тема: «Графическое оформление чертежей». При изложении учебного материала по инженерной графике одновременно изучаются настройки форматов, масштабов (при создании компьютерных видов), глобальных привязок, стилей линий графического редактора «Компас-График». На рабочее поле чертежа вводятся примитивы. В конце занятия студенты самостоятельно выполняют чертеж простой детали. На втором практическом занятии изучаются правила нанесения размеров с использованием «Компас-График». При изучении темы «Виды, разрезы, сечения» студенты выполняют чертежи в «Компас-График». Для данной темы на кафедре разработан дидактический материал, состоящий из заданий-модулей. Система заданий обеспечивает гарантированное усвоение учебного материала определенным контингентом студентов на заданном уровне. Первый модуль заданий выполняется по алгоритму-предписанию, при выполнении которого у студентов формируются «знания-знакомства», затем – «знания-копии». При выполнении второго модуля заданий студенты самостоятельно составляют алгоритмы-описания, в которых заключена точная последовательность операций. На этом этапе преподаватель должен осуществлять пооперационный контроль действий студентов. Проверяются не только конечные, но и промежуточные результаты. Выполнение последующих модулей-заданий требует от студентов продуктивной деятельности. Последовательность выполнения модульной системы заданий способствует повышению уровня усвоения знаний по инженерной и компьютерной графике.

На последующих занятиях студенты создают трехмерные модели в «Компас-3D». Передовой интерфейс системы позволяет осуществлять моделирование с высокой эффективностью. Для создания базовых элементов изделий используются операции выдавливания, вращения, кинематическая операция, операция по сечениям, создание линейных и круговых массивов, и т.д. Система «Компас-3D» позволяет вести сравнение, анализ форм, поиск оптимального варианта изображения объекта путем изменения параметров. Различные варианты модели создаваемых изделий фиксируют определенные этапы мыслительной деятельности студента-конструктора, основанной на психологическом механизме «синтез через анализ». Созданная компьютерная модель геометрического образа изделия в любой момент времени может быть визуализирована на дисплее или представлена в виде изображения на твердом носителе. Поворачивая пространственную модель и рассматривая ее с различных сторон, студенты развивают пространственное мышление. Трехмерная модель дает возможность увидеть структуру будущего изделия в полном соответствии с кинематикой и динамикой всех входящих в нее элементов.

Созданные модели могут быть использованы для получения конструкторской или технической документации – например, рабочего чертежа. Ассоциативные изображения модели позволяют создавать стандартные основные виды, расположенные в проекционной связи, вид по стрелке, разрезы и сечения, местный вид, выносной элемент. При изменении формы или размеров модели трансформируется изображение на всех связанных с ней ассоциативных видах. Трехмерное моделирование можно использовать в качестве средства самостоятельной проверки студентами правильности выполнения изображений чертежа, выполненного в «Компас-График».

При построении изображений вала (вида, разрезов, сечений, выносных элементов) в «Компас-График» студенты используют различные сервисные возможности программы, позволяющие сократить время на выполнение задания.

Далее студенты знакомятся с программой «Компас-SHAFT-3D», с помощью которой можно создать простые ступени валов, построить на их поверхностях различные конструктивные элементы (шлицевые, шпоночные и резьбовые участки, канавки, кольцевые пазы и т.д.). Количество ступеней модели может быть любым, форма — различной: цилиндр, конус, шестигранник, квадрат, сфера. Программа дает возможность получить в автоматизированном режиме чертеж и трехмерную модель вала.

При построении изображений прямозубых цилиндрических зубчатых колес студенты выполняют задание не только в «Компас-График», но и в «Компас-SHAFT-3D», позволяющей провести геометрический расчет зубчатой передачи и выполнить модель и рабочий чертеж зубчатого колеса.

Таким образом, студенты осваивают различные способы получения рабочих чертежей деталей: «ручной» и автоматизированный. При автоматизации поискового конструирования графическая деятельность приближается к процессу реального моделирования.

При выполнении заданий по теме: «Резьбы. Соединения разъемные», «Неразъемные соединения» студенты используют прикладные библиотеки «Компас-График».

Эскизирование деталей узла сборки студенты выполняют ручным способом, а учебный сборочный чертеж и спецификацию - в «Компас-График». По чертежу общего вида узла студенты выполняют рабочие чертежи трех деталей по 3D-технологиям. В результате работы по пространственному моделированию студенты учатся разрабатывать и синтезировать, прогнозировать динамику и тенденции развития объекта. Только в этом случае процесс формирования профессиональных навыков приобретает целостный характер, а графические работы студентов выступают как информационные графические модели и являются необходимым условием развития их интеллектуальных качеств и креативности мышления.

Проведенный лонгитюдный психолого-педагогический мониторинг подтвердил, что использование в обучении студентов интегрированного курса «Инженерная и компьютерная графика» позволяет повысить качество обучения студентов.