Новый подход к организации учебного процесса и представления учебной информации при проектировании

деятельности учащихся

К.В. Воеводина,

аспир., lifek@rambler.ru

А.В. Рыбаков,

к.т.н., доц.,

МГТУ Станкин, г. Москва

В докладе рассматриваются проблемы начальной подготовки квалифицированных специалистов по обслуживанию современных станков с числовым программным управлением.

The report examines the problems of initial training of qualified experts in maintenance of modern CNC machines.

В настоящее время в нашей стране много говорят о необходимости «возрождения» отечественной промышленности, заводов и предприятий.

Профессии, связанные с металлообработкой, являются на сегодняшний день одними из самых дефицитных. Именно поэтому в нашей стране так остро стоит вопрос о нехватке квалифицированных специалистов для работы на современном оборудовании с числовым программным управлением (ЧПУ).

Для того, чтобы увеличить число специалистов, необходимо привлекать людей к профессии и заинтересовывать еще со школы. В первую очередь речь идет о колледжах начального профессионального образования.

Чтобы сегодняшние школьники в будущем остались в профессии, а не сменили ее, необходимо заинтересовать и увлечь их с первого занятия. Так, для увеличения заинтересованности в получении начального и среднего, а, в дальнейшем, и высшего профессионального образования в технологической среде предлагается использовать новые средства в представлении информации, а так же новый подход самого процесса обучения.

В основе предлагаемого метода обучения учащихся лежит метод Action Mapping («карта действий») проектирования электронных курсов, предложенном Кэти Мур (Cathy Moore).

«Карта действий» - это такой набор последовательно выполняемых шагов, который является необходимым и достаточным для освоения и усвоения школьниками информации о таких сложных технических системах как станки с ЧПУ в необходимом объеме.

Самого начала учебы информация буквально «сваливается» на голову учащимся, которые еще не подготовлены ее воспринимать и усваивать. В результате остается много неясного и непонятного, неусвоенная информация накапливается как снежный ком. Встает вопрос, почему же так происходит?

Первое допущение заключается в том, что преподаватель считает, что ученики в итоге занятий должны знать ВСЕ о станочных системах.

Второе допущение заключается в уверенности в том, что все количество и объем информации, которую дают преподаватели, преобразуется в количество и объем знаний, которые усваиваются у их учеников. Поэтому преподаватель должен на своих занятиях охватить все темы, которые могут когда-либо в будущем понадобиться учащимся.

И, наконец, третьим заблуждением является то, что огромное количество тестов и проверочных работ помогут всю эту информацию запомнить.

В результате же мы получаем, что никаких особо глубоких знаний о станочных системах учащиеся не получили, но интерес к изучаемому предмету утратили (рис.1).

рис.1. Абстрактное представление результата обучения традиционными методами

Чтобы изменить подход в обучении, необходимо определить, чего же мы действительно хотим получить в итоге от учащихся. Будущим операторам станков с ЧПУ нужны не просто знания о станках, а практическое применение знаний на практике.

На рисунке 2 представлена карта действий, ориентированная на достижение максимальных положительных результатов в освоении учебного предмета. Как видно из рисунка, она состоит из четырех составляющих.

рис.2. Схема карты действий

Первым шагом в составлении карты действий является определение целей, которых мы хотим достичь. Грамотная и конкретная формулировка конечной цели позволит:

1. Разработать необходимые мероприятия для ее достижения и реализации.

2. Оценить качество полученного результата.

3. Проанализировать, как влияют на учащихся и их успеваемость мероприятия, проводимые для достижения поставленной цели.

Нашей целью является получение грамотного в своей области специалиста, который умел бы решать поставленные перед ним реальные производственные задачи.

На следующем этапе нужно составить список действий, которые учащиеся должны выполнять, чтобы достигнуть поставленную ранее цель. Так, для того, чтобы получить готовое изделие на станке с ЧПУ, учащийся должен:

· Сформировать исходные данные: изучить полученное задание, создать модель изделия в среде проектирования.

· Выполнить технологическую настройку: сформировать модель в соответствии с условиями обработки, выбрать обрабатывающий инструмент.

· Выполнить компьютерное моделирование обработки и сформировать управляющую программу (УП) для станка.

· Передать управляющую программу на станок с ЧПУ.

· Подготовить заготовку и выполнить УП на станке.

· Получить готовое изделие.

После того, как определены действия, необходимые для реализации цели, следует каждое из этих действий проиллюстрировать типовым примером. Каждый такой пример должен как можно достовернее отражать и описывать реальный мир.

После определения цели и действий для ее реализации выявляются примеры, описывающие эти действия и помогающие учащимся во время практической работы. Выбирая необходимые примеры нужно определить ту информацию, которая должна быть полностью усвоена учащимися для успешной практической деятельности. Если информация напрямую никак не может помочь в решении реальных задач, не стоит ее давать.

Таким образом, мы составили описание основных составляющих карты действий (рис. 2 и рис. 3).

рис.3. Структура карты действий

Определив составляющие карты действия, уточним, что же нужно для ее создания:

1. Разработать цель обучения, которая дает четкое представление о том, что должно быть достигнуто в итоге обучения.

2. Определить задачи, которые должны уметь решать будущие специалисты в ходе своей профессиональной деятельности.

3. Провести анализ учебных задач, чтобы определить базовые средства их решения. В результате получить систему обобщенных способов действий, усвоение которых и является целью учебной деятельности.

4. Спроектировать учебные задачи так, чтобы они представляли собой систему необходимых действий. При этом, решение этой системы учащимися должно обеспечить ознакомление и усвоение выделенных способов деятельности.

5. Отобрать конкретные знания, которые необходимы для понимания и решения описанных выше примеров и задач.

6. Разработать систему знаний, которая является необходимой и достаточной для анализа и решения учебных заданий.

Описанная выше теория карт действий лежит в основе разрабатываемого мной «умного» электронного учебника по подготовке операторов с ЧПУ. Этот учебник создается для обучения учащихся первого года в учреждениях начального профессионального образования и содержит основы проектирования операционного технологического процесса обработки фасонных поверхностей изделий. Да, в настоящее время издается огромное количество книг и учебных материалов, направленных помочь учащимся. Но начинающим специалистам трудно использовать имеющиеся ресурсы и они зачастую просто теряются в большом объеме информации. Именно поэтому является актуальной потребность в умеренном по объему и доступном для усвоения учебном пособии, ориентированном на подготовку специалистов в области работы со станками с числовым программным управлением. В этом учебном материале сформулированы основные базовые понятия предмета изучения в форме, доступной для учащегося первого года, для которого главной задачей является приобретение и закрепление базовых понятий, принципов и навыков.

Кроме того, содержание умного электронного учебника связано с практической деятельностью учащихся, что позволит им получать и оценивать собственный опыт. Ведь применяя теорию на практике и оценивая результат своих действий, учащийся способен усвоить большую часть учебной информации. На первом году обучения учащийся большую часть самостоятельной деятельности проводит в среде трехмерного моделирования, используя компьютерные программы-тренажеры. С помощью таких программ учащийся может самостоятельно проделать весь процесс (от проектирования и моделирования до визуализации обработки) по созданию изделия. После успешно выполненного задания на компьютерных тренажерах у учащихся есть возможность сделать свое задание на реальном работающем современном оборудовании с ЧПУ.

Такой подход позволяет исключить все возможные ошибки при работе с дорогостоящим оборудованием уже на стадии работы в среде моделирования, что позволяет более рационально использовать ресурсы учебного заведения.

Безусловно, будущие операторы по обслуживанию станков с ЧПУ должны знать не только то, как получить требуемое изделие, но и оборудование, на котором им предстоит работать. Но, так как учащиеся на первом году своего обучения не имеют никаких знаний о такой сложной системе как станок с ЧПУ, то для успешного освоения базовых понятий предлагается описать станок как систему, состоящую из компонентной, функциональной и событийной моделей (рис. 4).

рис.4. Описание системы на языке компонент, функций и событий

рис. 5. Компонентная модель станка с ЧПУ

Компонентная модель, как понятно из названия, служит для описания составных частей модели. Функциональная модель содержит функции системы и их взаимосвязь и служит для описания предназначения системы и ее возможностей. Событийная модель – это совокупность наших представлений о том, что же происходит внутри и вокруг описываемого объекта в процессе его работы. Компонентная модель станка с числовым программным управлением представления на рисунке 5.

Функциональная модель станка представлена на рисунке 6. Здесь внимание обращается на указание наиболее важных функций в процессе обработки заготовки и получения готового изделия. Так же подразумевается протяженность этих функций во времени.

рис. 6. Функциональная модель станка с ЧПУ

Любой станок с ЧПУ имеет два или более направления движения, которые называются осями. Как видно на рисунке 5, система ЧПУ, исполняя команды управляющей программы, посылает точное количество импульсов шаговому двигателю. Двигатель заставляет перемещаться рабочий орган станка – рабочий стол или колонну со шпинделем. В результате производится механическая обработка детали. Устройство обратной связи позволяет системе с ЧПУ узнать фактическую позицию исполнительного органа. Как только компьютер узнает, что орган станка находится в требуемой позиции, он начинает выполнять следующую команду. Такой процесс продолжается пока чтение управляющей команды не подойдет к концу.

Так как причинно-следственные отношения всегда развернуты во времени, для полного понимания функционирования объекта-системы его функциональную структуру необходимо развернуть во времени, определив последовательность функциональных взаимодействий (рис. 6).

Событийная модель – это последовательность или перечень сопутствующих событий. Этот перечень образует жизненный цикл функционирования станка с ЧПУ в ходе обработки. Событийная модель выделяет наиболее значимые события, включая обслуживание самой системы. Часть событий происходит в подсистеме, часть – относится к сфере надсистемы, и происходит вокруг системы.

Разборка на элементарные функции и события позволяет раскрыть суть происходящего в системе и выделить ключевые и малоизученные явления, которые влияют на работу системы.

Описанная таким образом структура технической системы, рассмотренная в различных аспектах, может обеспечить полное знание об описываемом объекте.

В качестве полигона для внедрения новых методик был выбран политехнический колледж №13 города Москвы, в котором приоритетными направлениями считаются подготовка специалистов по металлообработке и ювелирному делу.

Сначала в классно-урочной форме учащиеся изучают теоретические основы механической обработки, где получают знания о моделировании, базировании, инструменте, задании требований к обработке, об оборудовании с ЧПУ. Далее, на практических занятиях происходит освоение оборудования. Для этого ресурсные центры оснащены САПИР, станками с ЧПУ, имеют компьютерную поддержку. Учащимся колледжа предоставляется время в форме лабораторных занятий для выполнения проекта по индивидуальному заданию как на компьютере, так и на станке с ЧПУ. В итоге получаются готовые изделия в «дереве» или в «металле» (рис. 7).

рис. 7. Реализация в «металле» юбилейной медали

Подводя итог, можно сказать, что предлагаемая модель образования и использование «умного» электронного учебника, а так же описание системы на языке компонент, функций и событий повышают качество подготовки и заинтересованность учащихся в необходимости получения знаний по обслуживанию оборудования с ЧПУ в производственных условиях.

Литература

1. Cathy Moore, Action Mapping cathy@cathy-moore.com.

2. Проектирование деятельности. http://www.elw.ru/blogs/detail/1502/

3. Перспективы применения концепт-карт для построения базы знаний ТРИЗ. http://www.trizland.ru/trizba/articles/2427/

4. Ревенков А.В., Резчикова Е.В., Теория и практика решения технических задач: учеб. пособие. – М.: ФОРУМ, 2008. – 384с.

5. Гольдшмидт М.Г. Методология конструирования: Учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 173 с.