Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методологические проблемы обучения инженерной графике студентов технических вузов в современных условиях .13–47
1.1. Параметризация геометрических объектов и ее реализация в обучении студентов инженерной графике 13–25
1.2. Методы автоматизированной проверки качества выполнения заданий и способы самообучения типовым процедурам инженерной графики на основе дистанционных технологий 25–35
1.3 Техническая система как основное понятие в курсе инженерной графики, построенном на основе современных технологий конструирования в системах автоматизированного проектирования 36–44
Выводы по первой главе 45–47
Глава 2. Прикладные исследования по реализации методической системы обучения инженерной графике на основе систем автоматизированного проектирования 48–107
2.1. Способы организации и методы обучения инженерной графике в условиях современного развития систем автоматизированного проектирования 48–70
2.2 Апробация методической системы обучения студентов на основе систем автоматизированного проектирования .70–94
2.3. Проверка эффективности предложенной методической системы обучения студентов инженерной графике 94–104
Выводы по второй главе 105–107
Заключение .108–110
Список литературы 111–123
Приложения 124
- Параметризация геометрических объектов и ее реализация в обучении студентов инженерной графике
- Техническая система как основное понятие в курсе инженерной графики, построенном на основе современных технологий конструирования в системах автоматизированного проектирования
- Способы организации и методы обучения инженерной графике в условиях современного развития систем автоматизированного проектирования
- Проверка эффективности предложенной методической системы обучения студентов инженерной графике
Введение к работе
Актуальность исследования. Стремительно развивающиеся системы автоматизированного проектирования (САПР) сложных объектов привели к принципиальному изменению инженерной деятельности. При проектировании сложного объекта вначале разрабатывается его трехмерная модель, а затем с помощью систем автоматизированного проектирования выполняется чертеж. Важным инструментом является параметрическое моделирование, которое позволяет создавать геометрические модели объектов, в которых при изменении параметров происходят изменения в конфигурации детали. Использование трехмерных параметрических моделей дает возможность создавать графические базы данных по деталям и сборочным единицам, которые в дальнейшем используются при конструировании аналогичных деталей.
Согласно Федеральному закону № 273-ФЗ от 29.12.2012 "Об образовании в Российской Федерации", при подготовке конкурентоспособных специалистов в соответствии с потребностями государства и общества, необходимо совершенствование системы обучения и использование в образовательном процессе современных информационных технологий. Современные принципы конструирования на основе моделирования геометрических объектов в системах автоматизированного проектирования потребовали своего отражения в обучении будущих инженеров.
Внедрение в систему высшего образования Федеральных
государственных образовательных стандартов третьего поколения
предполагает: уменьшение аудиторного времени и увеличение времени, отводимого на самостоятельную работу студентов по изучению инженерно-графических дисциплин. В связи с этим становится актуальным использование методов и приемов дистанционного обучения для самостоятельного изучения студентами простейших формализуемых процедур и автоматизированной проверки правильности решенных заданий и качества их выполнения.
Большое количество научных работ посвящено структуре, содержанию и
методам профессионального образования, которые нашли свое отражение в
публикациях: В.П. Беспалько, А.А. Вербицкого, В.И. Загвязинский,
В.В. Краевского, И.Я. Лернера, В.А. Сластенина, В.И. Якунина и др.
Использованием и внедрением информационных технологий в
образовательное пространство графических дисциплин занимались:
Г.Ф. Горшков, И.И. Котов, П.А. Острожков, И.В. Роберт, Л.И. Райкин,
В.А. Рукавишников, Р.М. Сидорук, А.Л. Хейфец, В.И. Якунин и др.
Применению дистанционных технологий в учебном процессе посвящены работы: А.А. Андреева, Н.А. Беспалько, Т.П. Зайченко, Д.А. Иванченко, Е.С. Полат, А.В. Хуторской и др.
Безусловно, проведенные исследования внесли большой вклад в развитие и совершенствование методик обучения студентов по графическим дисциплинам. Однако, анализ существующих методик подготовки студентов в
области инженерной графики показал, что в недостаточной степени используются возможности современных систем автоматизированного проектирования, которые на сегодняшний день составляют неотъемлемую часть инженерной деятельности, и тем самым, не обеспечивается современный уровень подготовки будущих инженеров к профессиональной деятельности.
Актуальность данного исследования определяется совокупностью противоречий в организации обучения инженерной графике студентов технических вузов, а именно:
– несоответствием между современными технологиями конструкторской деятельности и традиционными методами обучения студентов инженерной графике;
– между высокими требованиями к качеству подготовки студентов в
области инженерной графики и недостаточной разработанностью
соответствующей методики обучения;
– между сокращением часов на аудиторную работу по дисциплине «Инженерная графика» и необходимостью формирования профессиональных компетенций, указанных в федеральном государственном образовательном стандарте (ФГОС) третьего поколения.
Указанные противоречия позволили сформулировать проблему
исследования: модернизация методики обучения инженерной графике в
техническом вузе с целью совершенствования подготовки студентов
средствами современных технологий конструирования в системах
автоматизированного проектирования.
Противоречия и проблема определяют тему настоящего
диссертационного исследования «Системы автоматизированного
проектирования в обучении инженерной графике студентов технических вузов».
Объект исследования: процесс обучения инженерной графике студентов технических вузов с использованием систем автоматизированного проектирования.
Предмет исследования: методы обучения инженерной графике студентов технических вузов на основе современных подходов конструирования в системах автоматизированного проектирования.
Цель исследования: разработать, обосновать и проверить эффективность методической системы обучения студентов инженерной графике в условиях современного развития систем автоматизированного проектирования.
Гипотеза исследования основана на предположении о том, что обучение студентов инженерной графике будет осуществляться более эффективно, если:
– определить основные компоненты современной конструкторской
деятельности, осуществляемой в системах автоматизированного
проектирования;
– разработать методы обучения студентов решению графических задач в соответствии с инновационными подходами конструирования;
– автоматизировать учебный процесс и методику проверки типовых графических заданий с использованием возможностей информационных систем и дистанционных технологий.
Таким образом, цель и гипотеза определили следующие задачи:
1. Провести анализ теоретической и методической литературы по
профилю исследования и выявить основные подходы к решению задач
конструирования с помощью современных информационных технологий.
2. Разработать методическую систему обучения инженерной графике
студентов технических вузов включающую:
– методы обучения студентов параметризации геометрических объектов и функционально-структурному анализу сборочных единиц;
– изучение современных средств конструирования в системах
автоматизированного проектирования: трехмерное моделирование,
автоматизированное получение чертежа, создание и использование
графической базы данных по деталям;
– автоматизированную систему проверки качества выполненных индивидуальных заданий средствами графического пакета AutoCAD и тестирования на промежуточных этапах обучения;
– технологии дистанционного изучения типовых процедур инженерной графики.
3. Экспериментально проверить эффективность разработанной
методической системы обучения инженерной графике студентов технических вузов.
Методологическую и теоретическую основу настоящего исследования составляют:
– фундаментальные труды в области психологии и педагогики
(Ю.К. Бабанский, Л.С. Выготский, П.Я. Гальперин, Ю.П. Зинченко,
В.В. Лаптев, И.Я. Лернер, С.Л. Рубинштейн, Н.Ф. Талызина и др.);
– научная основа геометро-графического образования в вузе (В.Н. Виноградов, И.С. Джапаридзе, Г.С. Иванов, И.И. Котов, В.С. Левицкий, В.С. Полозов, Н.Н. Рыжов, С.А. Фролов, Н.Ф. Четверухин и др.)
– теория и методика профессионального образования (В.И. Байденко,
И.В. Гайдамашко, Б.С. Гершунский, И.Я. Лернер, П.И. Подкасистый,
Н.Ф. Талызина, Е.В. Ткаченко, В.Д. Шадриков и др.)
– подходы к формированию структуры и содержания графических дисциплин (Л.Н. Анисимова, Г.Ф. Горшков, Л.П. Григоревская, В.Н. Гузненков, Г.А. Иващенко, С.П. Ломов, Ю.Ф. Катханова, Е.И. Корзинова, П.А. Острожков, А.А. Павлова, В.А. Рукавишников, Е.И. Шангина, В.И. Якунин и др.)
– компетентностный подход в профессиональном образовании
(В.И. Байденко, А.А. Вербицкий, И.А. Зимняя, Э.Ф. Зеер, Ю.Г. Татур,
А.В. Хуторской и др.);
– системный подход (С.И. Архангельский, В.П. Беспалько, В.А. Сластенин и др.);
– личностно-ориентированный подход (Н.А. Алексеев, В.В. Краевский, В.В. Сериков, М.Н. Скаткин, В.А. Сластенин, И.С. Якиманская и др.).
Для подтверждения гипотезы и при решении поставленных задач использовались следующие методы исследования:
– анализ фундаментальных трудов по педагогике и психологии, научных публикаций и диссертационных работ в исследуемой области;
– тестирование студентов;
– анкетирование студентов;
– беседы со студентами и преподавателями;
– наблюдение за процессом обучения студентов инженерной графике и анализ результатов;
– педагогический эксперимент (поисковый, констатирующий, обучающий, формирующий);
– математическая и статистическая обработка данных проведенных исследований.
Базой для проведения опытно-экспериментальной работы являлись
ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет» и институт радиотехнических и телекоммуникационных систем ФГБОУ ВО «Московский технологический университет».
Первый этап (2010–2011 гг.) – поисково-аналитический. Был посвящен
изучению и анализу педагогической и психологической литературы;
накоплению собственного опыта работы и знакомству с опытом других
педагогов; выявлению проблем в преподавании инженерной графики;
изучению существующих информационных технологий; изучению
исследований, проводимых в рассматриваемой области; а также анализу диссертационных работ. В результате были определены проблема, цель, объект, предмет и задачи исследования, выдвинута гипотеза.
Второй этап (2011–2013 гг.) – опытно-экспериментальный. На этом этапе
разрабатывался учебно-методический комплекс на базе САПР с
использованием дистанционных технологий. Проводился формирующий и контролирующий этапы эксперимента по организации обучения студентов инженерной графике на основе систем автоматизированного проектирования. Были выявлены критерии оценки начального уровня студентов и критерии, по которым проводилась оценка экспериментальных и контрольных групп в ходе эксперимента. Осуществлялась проверка эффективности предложенной методической системы обучения студентов инженерной графике.
Третий этап (2013–2017 гг.) – заключительно-обобщающий. Посвящен статистической обработке данных, а также анализу результатов эксперимента. Проводились обобщение и систематизация накопленного материала, его реализация в различных публикациях и оформление в виде диссертации.
Научная новизна исследования состоит в следующем:
– сформулированы пути моделирования учебного процесса по дисциплине «Инженерная графика» в современных условиях, состоящие в
обучении современным способам конструирования посредством САПР и автоматизации типовых процедур учебного процесса;
– разработаны методы обучения решению графических задач инженерной
графики в соответствии с современными подходами в конструировании:
параметрическое моделирование, функционально-структурный анализ
сборочных единиц, создание и использование графических баз данных по деталям;
– предложена система автоматизированной проверки типовых
графических задач, основанная на возможности наложения в системе AutoCAD выполненных обучающимся построений и правильного решения;
– разработан способ обучения типовым процедурам инженерной графики с использованием дистанционных технологий, представляющий собой пошаговую демонстрацию отдельных этапов решения простейших задач с использованием возможностей САПР.
Теоретическая значимость исследования заключается в следующем:
– выявлены основные компоненты современной инженерной
деятельности, используемые при проектировании деталей и сборочных единиц в системах автоматизированного проектирования: трехмерное параметрическое моделирование, автоматизированное получение чертежа по трехмерной модели, создание и использование графических баз при проектировании аналогичных изделий;
– теоретически обоснована эффективность самостоятельного изучения обучающимися типовых процедур инженерной графики средствами систем автоматизированного проектирования с помощью дистанционных технологий;
– доказана эффективность организации обучения студентов технических вузов инженерной графике с использованием современных возможностей систем автоматизированного проектирования.
Практическая значимость проведенного исследования состоит в
разработке, апробации и внедрении в учебный процесс методической системы
обучения студентов инженерной графике на основе систем
автоматизированного проектирования. Основные результаты исследования
внедрены в педагогическую практику Московского института
радиотехнических и телекоммуникационных систем ФГБОУ ВО «Московский
технологический университет» и ФГБОУ ВО «Московский государственный
технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный
исследовательский университет)».
Результаты исследования, представленные на конференциях, в ряде статей и в методических пособиях, могут быть использованы в технических вузах России при разработке учебных программ и учебно-методических пособий при обучении инженерной и компьютерной графике.
Личный вклад автора в исследование заключается в разработке методической системы обучения студентов технических вузов инженерной графике в соответствии с современным уровнем развития систем автоматизированного проектирования, включающей в себя методы обучения
параметризации геометрических объектов, функционально-структурный анализ сборочных единиц, создание и использование учебной графической базы данных по деталям и сборочным единицам, автоматизированный способ проверки графических заданий, технологию дистанционного изучения типовых процедур инженерной графики; в проведении педагогического эксперимента и подтверждении выдвинутой гипотезы по его результатам.
Достоверность и обоснованность научных результатов
подтверждается:
– опорой на теоретические и методологические положения
психологической и педагогической литературы;
– реализацией эксперимента, его научно-методическим обеспечением и воспроизводимостью результатов эксперимента;
– апробацией результатов исследования, которые обсуждались на всероссийских и международных конференциях, форумах и семинарах;
– актами и справками о внедрении результатов исследования в учебный процесс в высших учебных заведениях.
– многолетним положительным опытом работы автора как преподавателя
дисциплин «Начертательная геометрия», «Инженерная графика»,
«Компьютерная графика».
Положения, выносимые на защиту:
1. Методическая система обучения инженерной графике студентов
технических вузов, включающая в себя:
– метод обучения параметризации геометрических объектов путем составления матрицы смежности, в которой отображаются функциональные элементы деталей, их положение и взаимосвязи, независимые параметры деталей; функционально-структурный анализ сборочных единиц, основанный на матричном представление, отображающем нумерацию сборок и подсборок, функциональных узлов и деталей, их разделение на типовые и стандартные; методику разработки функционального графа по матрице функций.
– автоматизированную систему проверки качества выполнения
индивидуальных заданий средствами графического пакета AutoCAD, реализованного на возможности создания проверочного решения в отдельном слое, скрытом на этапы выдачи задания и тестирования.
– технологию дистанционного изучения типовых процедур инженерной графики, основанную на использовании в одном электронном чертеже нескольких слоев различного цвета и содержания (видимость которых можно регулировать), каждый из которых отображает отдельный этап решения задачи.
– создание и использование учебной графической базы данных по деталям и сборочным единицам методом проектов, в структуру которой входят трехмерные модели, параметрические модели и чертежи.
2. Показатели результативности предложенной методической системы
обучения студентов инженерной графике на основе систем
автоматизированного проектирования по трем критериям: успеваемость,
мотивация и адекватность самооценки знаний студентов.
Апробация и внедрение результатов исследования.
Результаты и положения работы докладывались и обсуждались на: XIX и
XX международной научно-технической конференции «Информационные
средства и технологии» (Москва 2011, 2012), международной научно-
практической конференции «Новые информационные технологии в
образовании» (Екатеринбург, 2011, 2014), 61 научно-технической конференции
«Проблемы высшего образования. Гуманитарные и экономические науки»
(Москва 2012), международной конференции «Наука и общество» (Донецк,
2014).
Основные результаты внедрены в учебный процесс Московского института радиотехнических и телекоммуникационных систем ФГБОУ ВО «Московский технологический университет» и ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)».
Публикации. По материалам выполненного исследования опубликовано 16 печатных работ, в том числе 2 учебно-методических пособия и 14 статей (5 из которых в периодических изданиях, рекомендованных ВАК).
Объем и структура диссертации.
Содержание диссертационной работы изложено на 135 страницах и состоит из введения, двух глав с выводами, заключения, списка литературы из 116 наименований и четырех приложений. Кроме текстовых материалов в работу включено 14 таблиц и 39 рисунков.
Параметризация геометрических объектов и ее реализация в обучении студентов инженерной графике
Современные возможности систем автоматизированного проектирования не ограничиваются созданием чертежей средствами двухмерной графики. Существует множество систем, позволяющих создавать трехмерные геометрические, твердотельные и поверхностные модели. Эти системы также включают в себя системы инженерного анализа, программы расчетов, программы для числового программного управления и др. Количество деталей в сборке, которые способны отображать такие системы целиком с различных сторон, в том числе и изнутри, может достигать десятков тысяч. При проектировании сложно объектов это особенно актуально. Например, при разработке самолетов, где в ограниченном пространстве требуется найти свободное место и расположить различные устройства, электрическую проводку и прочее оборудование [89].
Еще одним важным инструментом систем автоматизированного проектирования является параметрическое моделирование, которое позволяет создавать математические модели объектов, в которых при изменении параметров происходят изменения в конфигурации детали, взаимные перемещения деталей в сборке и т. п. В современных САПР среднего и тяжёлого классов возможность создания трехмерных параметрических моделей заложена в идеологию самих САПР и является основой проектирования. Важно отметить, что использование параметрических моделей позволяет создавать базы данных по деталям, их элементам и сборочным единицам, которые в дальнейшем используются при разработке аналогичных деталей. Создание таких баз данных значительно расширяет возможности интерактивного решения системных инженерных задач.
Сегодня множество компаний, использующих современные информационные технологии, уже не пользуются привычным чертежом, а создают 3D модель, затем выполняют автоматически, с помощью специальных программ, все необходимые расчеты, и оправляют ее на станки с ЧПУ. В случае необходимости создания чертежа выполняют его автоматически с помощью САПР, при минимальных затратах человеческого ресурса. Трехмерное моделирование становиться основой инженерной деятельности, а чертеж перестает быть востребован на всех этапах жизненного цикла изделия.
Проблемы, связанные с использованием компьютерных технологий в обучении графическим дисциплинам, рассматривались в работах Г.Ф. Горшкова, В.Н. Гузненкова, П.А. Острожкова, В.А. Рукавишникова, Р.М. Сидорука, А.Л. Хейфеца, В.И. Якунина и др. [26, 29, 55, 73, 74, 80, 81, 93, 110, 112].
Анализ существующих методик обучения инженерной графике выявил несоответствие тенденциям развития систем автоматизированного проектирования [21, 27, 33, 58, 59, 68, 69, 79, 97, 100, 107, 108, 113]. С развитием технологий графического отображения информации, инженерная графика становится одной из подсистем визуальной коммуникации. Это направление нашло отражение в развитие кафедр инженерной графики, ставшими выпускающими по графическим информационным технологиям, компьютерному дизайну. Сейчас они преподают деловую и бизнес графику, web дизайн, информационный дизайн, информационные технологии в дизайне и т.п. Передовым в отражении современных направлений развития геометрии и графики является Московский физико-технический институт, в котором ведется курс визуализации информации и геометрического моделирования.
Как отмечает Л.Н. Анисимова, для успешной графической подготовки студентов необходимо использовать инновационный подход к формированию профессиональных компетенций, который основывается на использовании компьютерных технологий, интерактивных лекций и лабораторных работ с включением материала для самообучения [4].
Слова А.А Павловой подтверждают необходимость обучения студентов трехмерному моделированию: «студенты, изучившие основы компьютерной графики и трехмерного моделирования, становятся специалистами высокого класса. Они приходят на производство, в конструкторское или технологическое бюро, подготовленными для эффективного использования современных методов автоматизированного проектирования» [57].
Согласно утверждениям В.Н. Гузненкова [30], возможности современных систем автоматизированного проектирования концептуально изменяют идеологию графической подготовки студентов. Проектирование реального объекта или его виртуального изображения начинается с создания пространственного формообразования его геометрической и параметрической моделей. Автор указывает на необходимость использования таких моделей в обучении, для приобретения студентами компетенций по разработке сборочных единиц и деталей.
Г.Ф. Горшков [26] акцентирует внимание на том, что с появлением современных систем автоматизированного проектирования, инженер, не обладая достаточными знаниями геометрии, основ параметризации и без развитого пространственно-образного мышления использует лишь 15% возможностей интеллектуальных систем и является, в сущности, оператором этих систем.
Анализ использования современных систем автоматизированного проектирования в обучении студентов инженерной графике выявил противоречие: с одной стороны, инновационные направления развития в рассматриваемой области, а с другой – консерватизм в элементарном и репродуктивном содержании опорной дисциплины [88].
Мировые тенденции развития профессионального образования нацелены на формирование профессиональных компетенций. Как отмечает И.А. Зимняя [39], Европейское постиндустриальное общество в условиях интеграции и глобализации мировой экономики, в процессе гармонизации европейской системы высшего образования, строится на принципиально новой системе ценностей. Ядром этой системы является свободный индивид, который стремиться реализовать свои возможности, и который способен приспосабливаться к изменению формы профессиональной деятельности и использованию в процессе работы новых видов коммуникаций и информационных технологий. В основе такой системы лежит компетентность каждого индивида, отражающая не только его профессионализм, но и личностные качества, такие как самостоятельность, умение принимать решение (в том числе и в нестандартных ситуациях), ответственность за принимаемые решения и др.
Традиционный набор знаний и умений, получаемый студентами в вузе, не соответствует требуемому уровню профессиональной компетентности и не отражает потребности современного общества. Успешное окончание вуза не гарантирует успешной реализации выпускника в профессиональной деятельности. Характеристикой, показывающей соответствие уровня знаний человека и успешности в профессиональной деятельности, является компетентность.
В методических рекомендациях ФГОС компетенция определяется как динамическая совокупность знаний, умений, способностей и ценностей, которые необходимы для эффективной профессиональной деятельности, а также личностного развития выпускников, которые они обязаны продемонстрировать после завершения части или всей образовательной программы.
Для формирования необходимых компетенций будущих инженеров необходимо организовать их преемственность на всех стадиях обучения. В первый этап обучения будущих выпускников технических специальностей входят такие дисциплины, как инженерная графика и компьютерная графика. Поэтому, для становления конкурентоспособных выпускников, способных успешно решать профессиональные задачи и вносить свой вклад в развитие общества, у студентов необходимо сформировать следующие профессиональные и личностные компетенции (на примере специальности 11.03.03 Конструирование и технология электронных средств):
1. Общекультурные компетенции выпускника:
– способность к коммуникации в устной и письменной формах на русском и иностранном языках для решения задач межличностного и межкультурного взаимодействия (ОК–5);
– способность работать в коллективе, толерантно воспринимая социальные и культурные различия (ОК–6);
– способность к самоорганизации и самообразованию (ОК–7)
Техническая система как основное понятие в курсе инженерной графики, построенном на основе современных технологий конструирования в системах автоматизированного проектирования
Развитие интеллектуальных свойств систем автоматизированного проектирования позволило создавать графические базы данных и базы знаний, и использовать их при моделировании. Решение комплексных геометрических задач с помощью создания и использования графических баз данных по моделированию способствует значительному расширению возможностей интерактивного решения системных инженерных задач. Примерами могут служить прикладные задачи многомерной геометрии, алгебраической и дифференциальной геометрии, фрактальной геометрии, топологии и др., к которым, например, относятся задачи геометрической теории машин и механизмов, геометрической оптики и т.п. [114].
Как отмечает Ю.Ф. Катханова: «Высокие темпы развития компьютерных технологий приводят к закономерной переоценке отношения не только к существующей системе знаний, но и поиску новых путей совершенствования традиционных методов и приемов обучения» [45]. На сегодняшний день традиционные методы обучения инженерной графике не отражают новых интеллектуальных технологий инженерной деятельности, построенных на основе параметрического трехмерного моделирования и работе с соответствующими базами данных и базами знаний.
При модернизации учебной дисциплины «Инженерная графика» требуется адекватно отразить смену приоритетов. При разработке конструкторской документации чертеж получают автоматически по предварительно разработанной электронной 3D модели. В разработке 3D моделей определяющая роль отводится аналоговому проектированию и его информационному обеспечению: базам данных и базам знаний. Основой принятия решений становится этап функционально-структурного анализа, конструктивно представленного в методологии поискового конструирования [86].
Сегодня развитие информационных технологий позволило выделить два направления в инженерной графике: первое – это геометрическое моделирование, а второе – графическое представления информации, куда входит часть инженерной графики – графическое документирование (рис. 11).
Под графическим документированием понимают область развития инженерной графики, которая связана с разработкой конструкторской документации. В геометрическом моделировании рассматривается не только разработка технических систем, но и многомерная геометрия с методологией образования любых форм, любых пространств; начертательная геометрия; элементы аналитической и алгебраической геометрии. Стоит отметить, что применение этих возможностей активно используется в других предметных областях, таких как химия, физика.
Отделение графики от геометрии позволяет выделить в инженерной графике область графического документирования, обеспечивающую графическое представление информации о функциональных свойствах изделий, отраженных на соответствующих стадиях информационных технологий проектирования. С одной стороны, необходимо отобразить законы графического представления информации, основанных на законах зрительного восприятия, теории кодирования, теории инженерной психологии и эргономики, законах композиции в соответствии со стандартами электронного документооборота. С другой стороны, необходимо учесть семантику, соответствующую современной методологии аналогового и типового проектирования технических систем, широко использующих базы данных и базы знаний.
Поскольку объектом графического представления является техническая система, то появилась необходимость описать её в соответствии с иерархией, используемой в системологии инженерных знаний [32]. Такой подход позволяет выделить в технической системе три вложенные подсистемы: детали и функциональные элементы, сборочные единицы и функциональные узлы, взаимосвязи объектов и процессов (рис. 12). Именно три эти составляющие технической системы являются фундаментом для построения учебной дисциплины. Состав и структуру содержания каждой из подсистем определяют алгоритмы графического представления информации, построенные на современных компьютерных системах, осуществляющих проектирование на основе графических баз данных и знаний.
В области графического документирования основополагающим понятием является понятие технической системы. В стандартах известны такие понятия, как изделие, комплексы, сборочные единицы, детали и комплекты, которые иерархически структурированы. Но при построении технической системы, с точки зрения принципов системологии, удобнее выйти на более схематичное, двухуровневое построение технической системы, в котором система представлена функционально связанными подсистемами.
Всесоюзный классификатор сборочных единиц и деталей, сформированный по функциональному признаку и по конфигурации, не отражает специфики компьютерной технологии аналогового проектирования.
Поддержка методологии аналогового проектирования реализуется классификационными признаками по конструктивной сложности (сложности составляющих элементов, их числа и взаиморасположения) и технологии изготовления (для детали: с удалением, с сохранением и добавлением материала, а для сборочной единицы технология сборки: без изменения формы деталей, с доработкой или изменением формы, и использованием технологии армирования). В стандартах есть понятие сборочная единица, а в САПРе давно фигурирует дополнительное понятие – функциональный узел.
Функциональные узлы классифицируются по двум признакам: подвижность и разъемность, определяя в совокупности четыре типа соединения деталей (рис. 13):
– разъемные подвижные (например, механические передачи);
– разъемные неподвижные (например, винтовое соединение);
– неразъемные подвижные (например, завальцовка);
– неразъемные неподвижные (например, сварка).
Способы организации и методы обучения инженерной графике в условиях современного развития систем автоматизированного проектирования
Системы компьютеризации инженерной деятельности потребовали принципиальных изменений в способах организации и методах обучения инженерной графике [115]. Изменения в методах обучения связанны, в первую очередь, с переходом на трехмерное параметрическое моделирование и использованием графических баз данных при конструировании, а во вторых, с переходом на компьютерные технологии разработки конструкторской документации.
Фактором, оказывающим влияние на организацию процесса обучения, являлось уменьшение часов на аудиторные занятия. В результате возникло противоречие между сокращением часов на аудиторную работу и необходимостью формирования профессиональных компетенций, указанных в федеральном государственном образовательном стандарте третьего поколения. Решением этой проблемы стало использование дистанционных технологий для самостоятельного изучения студентами формализуемых процедур инженерной графики, автоматизированная проверка типовых графических заданий и тестирование полученных теоретических знаний (подробно описаны в первой главе).
На основе проведенных исследований учебный процесс был построен по итерационной схеме, состоящей из следующих видов учебной деятельности:
– лекционная часть;
– практическая часть (практические и лабораторные занятия);
– индивидуальные графические задания с автоматизированной системой проверки;
– тестирование по теоретическому материалу для текущего самоконтроля;
– итоговый контроль, осуществляемый преподавателем (рис. 17).
В соответствии со структурой дисциплины практические занятия вместе с лекционной частью составляли 34 часа, лабораторные занятия – 34 и самостоятельная работа студентов – 40 часов.
В соответствии с приведенной структурной схемой после усвоения лекционной и практической части (включающей в себя лабораторные работы по трехмерному моделированию) следуют индивидуальные задания по вариантам c системой автоматизированной проверки. После самостоятельной проверки студентом индивидуального задания, в случае неправильного решения студент обращается к практической или лекционной части в зависимости от характера допущенных ошибок. После восполнения пробелов в знаниях студент выполняет следующий вариант задания, пока не будет получен удовлетворительный результат. Уже на этом этапе студент имеет возможность сам оценивать свои знания, не дожидаясь проверки преподавателем, и при желании может выполнить дополнительный вариант для достижения лучшего результата.
После успешно выполненных индивидуальных заданий и их самостоятельной проверки следует тестирование с оценкой, по итогам которого студент либо переходит к итоговому контролю по теме, осуществляемым преподавателем, либо восполняет пробелы в знаниях и проходит тестирование еще раз. Далее студенту предлагается выполнить самостоятельную работу по пройденной теме под контролем преподавателя и перейти к изучению следующей темы. В конце семестра проходит итоговый контроль в виде зачета или экзамена.
Предложенный способ организации процесса обучения студентов инженерной графике позволяет реализовать концепцию развития способностей, на основе введенных Л.С. Выготским зон актуального и ближайшего развития [22]. Для определения зоны ближайшего развития используется тестирование уровня осмысленности полученных знаний.
Суммарная оценка по результатам тестирования и выполнения индивидуального задания отражает уровень зоны актуального развития.
Для реализации описанного способа организации процесса обучения студентов по разделу инженерной графики «Соединения» были разработаны следующие учебно-методические материалы:
– рабочая тетрадь (включающая лекционную часть);
– индивидуальные графические задания с автоматизированной проверкой, выполненных средствами двухмерной графики в системе AutoCAD;
– обучающие материалы для демонстрации пошаговых решений типовых задач;
– набор тестовых заданий по различным типам соединений.
В процессе обучения студентов по дисциплины «Инженерная графика» на основе современных подходов конструирования использовались следующие методы:
– словесный;
– объяснительно-иллюстративный, с использованием возможностей трехмерного моделирования и средств мультимедиа;
– систематизирующий;
– практический, реализуемый на лабораторных работах студентов;
– контрольный, с использованием тестирования и комплексом самопроверки графических задач с помощью средств AutoCAD;
– проектов.
Важной составляющей лекционного материала является схематизация и структуризация содержательного материала. Содержание лекционной части по инженерной графике представляет собой, прежде всего, сущность современной инженерной деятельности по проектированию и конструированию объектов различной сложности. Так, например, при изучении раздела «Сборочные единицы и функциональные узлы», вначале выделяются и указываются в опорном конспекте лекционной части компоненты сборки, заполняется схема состава сборки и ее матричное представление, а потом происходит переход непосредственно к разработке конструкторской документации. На лекционной части занятий преподаватель демонстрирует студентам решение рассматриваемых задач с помощью мультимедийных технологий.
В качестве примера рассмотрен функционально-структурный анализ сборочной единицы толкателя. На рисунке 18 приведена его трехмерная модель.
Новым на этом этапе является включение в курс инженерной графики процедур работы с графическими базами данных по деталям и сборочным единицам. Созданная деталь или сборочная единица, согласно существующему использованию технологии САПР, идет в индивидуальную или корпорационную базу графических данных. Благодаря тому, что детали и сборочные единицы создается как параметрические модели, к ней можно обратиться как к готовому изделию или использовать для создания другого изделия при последующей работе.
Решение задач из рабочей тетради происходит тремя путями: часть решений демонстрируется преподавателем, еще часть отводится на самостоятельное изучение с помощью роликов, имеющих пошаговое решение с динамической визуализацией, и последняя часть – выполняется самостоятельно студентом. На рисунке 22 представлен пример страницы из рабочей тетради по теме «Соединения неподвижные разъемные».
Проверка эффективности предложенной методической системы обучения студентов инженерной графике
Проведённый формирующий эксперимент показал, что использование современных возможностей САПР и дистанционных технологий, включающих в себя автоматизированную проверку типовых графических заданий при обучении студентов инженерной графике, положительно влияет на успеваемость и мотивацию в группе. Также в процессе проведения эксперимента были выявлены некоторые проблемные ситуации в обучении, которые были скорректированы к контролирующему этапу эксперимента.
Для проверки эффективности предложенной методической системы обучения студентов инженерной графике с учетом внесенных коррективов был проведен контролирующий эксперимент, который проводился в 2012– 2013 учебном году со студентами первого курса обучения. В эксперименте участвовало 4 группы первого курса Московского института радиотехнических и телекоммуникационных систем, обучающиеся по специальности 11.03.03 – Конструирование и технология электронных средств в период 2012–2013 учебного года (РК1, РК2, РК3, РК4).
Для выявления однородности групп были использованы, по аналогии с формирующим экспериментом, два критерия: начальный уровень знаний и умений студентов и мотивация студентов. Результаты выявленного базового уровня знаний и умений студентов в виде графической интерпретации представлены на рис. 36.
Результаты по определению начального уровня мотивации у всех студентов, а также среднеарифметическое значение для каждой из групп, представлены в таблице 10.
В результате сравнения однородности всех испытуемых групп было выявлено, что для сочетаний групп РК1 – РК2, РК1 – РК3, РК1 – РК4, РК2 – РК4 и РК3 – РК4 гипотеза о равенстве средних верна (уровень значимости (P) критерия Стьюдента (t) больше 0,05), а для сочетания групп РК3 – РК2 гипотеза опровергается.
Статистическая обработка данных по мотивационному критерию в статистическом пакете Statistica 6 для всех испытуемых групп приведена в таблице 12.
Обработка статистических данных по мотивационному критерию подтвердила однородность для сочетания групп РК1 – РК2, РК1 – РК3, РК1 – РК4, РК3 – РК2 и РК3 – РК4, а для групп РК2 – РК4 гипотеза о равенстве средних двух не подтвердилась.
Статистический анализ данных по двум критериям выявил, что однородными являются группы РК1, РК3, РК4. На основе полученных данных в качестве экспериментальных групп приняты группы РК1 (Э-1) и РК3 (Э-2), а в качестве контрольной РК4 (К-1).
Обучение студентов инженерной графике по разделу «Соединения» в контрольной группе проводилось по традиционной методике, а в экспериментальных группах так же, как и на формирующем этапе эксперимента, но с учетом внесенных в нее корректив по итогам проведенного эксперимента. Отметим, что во время проведения контролирующего эксперимента, в отличие от формирующего эксперимента, оценка индивидуальных заданий по предлагающимся к ним автоматизированным средствам проверки выполнялась студентом полностью самостоятельно.
По итогам проведенной экспериментальной работы был проведен сравнительный анализ данных по успеваемости студентов одной контрольной и двух экспериментальных групп. Данные приведены по срезам в пяти контрольных точках, соответствующих темам раздела «Соединения» (рис. 37).
Сравнительный анализ показал, что средние показатели успеваемости в экспериментальных группах стабильно выше, чем в контрольной группе. Также по результатам эксперимента не было выявлено неоднозначностей по эффективности предложенной методической системы обучения студентов инженерной графике. Отметим, что внесенные коррективы по итогам формирующего эксперимента позволили сгладить характерные для предыдущего эксперимента скачки успеваемости по теме №2, №3 и №4.
Итоговый сравнительный анализ результатов по мотивационному критерию для контрольной и экспериментальных групп по срезам в пяти контрольных точках представлен на рисунке 38.
Результат сравнения мотивационного критерия испытуемых групп показал, что на первом этапе обучения мотивация студентов в экспериментальных группах ненамного выше, чем в контрольной, а затем в экспериментальных группах мотивация стабильно выше, чем в контрольной группе. Объясняется это тем, что к моменту контрольного среза по теме №1 студенты еще не успели изучить те возможности технологий САПР, которые вызывают наибольший интерес в программе обучения.
Графическое представление уровня адекватности самооценки студентов по срезам в пяти контрольных точках, приведено на рисунке 39.
Полученные результаты показали, что скорректированная система автоматизированной проверки, применяемая в экспериментальных группах, позволила заметно улучшить умение студентов оценивать свой уровень знаний. Отметим также, что в экспериментальных группах основной рост этого показателя происходит лишь после темы №1 и связанно это с психологическими особенностями человека. После самостоятельной проверки индивидуального задания по теме №1 студент, не смотря даже на наличие подробных инструкций к проверке, имеет сомнения на счет верности оценки своих знаний. После первого контроля по теме, проведенного уже преподавателем, у студента, как правило, происходит либо подтверждение верности его оценки, либо опровержение его завышенной, либо заниженной оценки.
Поскольку на этапе формирующего эксперимента самооценка индивидуальных заданий проходила не полностью самостоятельно, а под контролем преподавателя, и по его итогам вносились коррективы в виде подробных инструкций к проверке графических задач, то для оценки эффективности предложенных методов обучения рассмотрим (таблица 14) процентное изменение адекватности самооценки студента на конец семестра (по теме №5).
Анализ результатов показал, что предложенная система автоматизированной проверки качества решения графических задач и тестирования по темам является эффективным средством оценки типовых домашних заданий, а также средством самоподготовки студентов. Так, в экспериментальных группах к концу семестра 2012–2013 учебного года, в сравнении с показателями 2011–2012 уч. года полностью исчезли ситуации, когда разница между самооценкой студента и оценкой контролирующего их преподавателя составляла 2 балла. При этом, тот же показатель в контрольных группах 2011–2012 и 2012–2013 учебных годов остался по-прежнему достаточно высоким и составлял 22% и 24%. Отметим также небольшое увеличение количества совпавших оценок в экспериментальных группах: 32% и 38% в 2011–2012 учебном году, а в 2012–2013 учебном году 43% и 45%.
Проверка эффективности обучения по экспериментальной программе показала, что использование автоматизированной проверки качества выполнения типовых индивидуальных заданий студентов и тестирований, проводимых самостоятельно студентом, позволили заметно повысить адекватность самооценки знаний студентов, что, в свою очередь, положительно сказалось на успеваемости. Также отметим, что обучение трехмерному моделированию и другим возможностям современных САПР в экспериментальных группах значительно увеличило интерес к обучению.
Важным результатом является то, что обучение по экспериментальной программе позволило не только повысить успеваемость в группах, но и сформировать у студентов навыки параметрического моделирования и навыки создания и использования баз данных по деталям, которые помогут будущим выпускникам в профессиональном становлении.