Программа курса «Инженерная графика» для студентов специальности «Программное обеспечение» (ПО) предусматривает в основном изучение начертательной геометрии. Дальнейшую подготовку в области графики они получают в курсах «Графическое и геометрическое моделирование и интерактивные системы», «Компьютерный синтез изображений» и др. Компьютеризация проектирования и делопроизводства не оставляет места для документов, исполненных вручную, поэтому едва ли удастся найти желающих поставить под сомнение необходимость обучения компьютерным методам создания чертежей и рисунков. Однако сплошь и рядом приходиться видеть студентов, исполняющих чертежи с помощью карандашей и туши на малых и больших листах. И лишь отдельные кафедры графики и специальные кафедры лучших учебных заведений обучают студентов компьютерному черчению, обычно с использованием системы AutoCAD, но и при этом с помощью компьютеров выполняются не все графические работы.

Автор полагает, что обучение студентов ручному черчению уже сейчас бессмысленно и, поэтому, недопустимо. Приходиться слышать возражения: не научить чертить это то же самое, что не научить писать. Верно, но ведь писать и чертить вручную учат в общеобразовательных школах! В высших учебных заведениях студенты осваивают средства компьютерной подготовки текстовых документов, графические документы также следует готовить только с помощью компьютеров.

Возникают вопросы: какими компьютерами должны быть оснащены классы, сколько плоттеров нужно для того, чтобы обеспечить компьютеризацию исполнения всех графических работ? Опыт автора показывает, что учебные работы с применением системы AutoCAD 2000 можно успешно проводить даже на AT – 486 DX4, 16 Mb RAM (лучше Pentium 150, 32 Mb RAM). Получение твердых копий чертежей совсем не обязательно, большую часть заданий можно принимать в электронном виде, графический материал для курсового и дипломного проектирования может быть представлен на листах формата А4 в соответствующем масштабе и распечатан с помощью принтера. Разумеется, что принятие такого подхода требует уделить внимание освоению соответствующего инструментария. Автор включил изучение необходимых средств системы AutoCAD в программу курса «Инженерная графика», разработаны в виде HTML-документа методические указания по применению AutoCADа для выполнения лабораторных работ.

В соответствии с требованиями Министерства образования и науки Украины студенты направления подготовки «Компьютерные науки» в этом курсе должны изучать начертательную геометрию. Теоретическая часть курса, читаемого автором, полностью соответствует требованиям Министерства, а все лабораторные работы выполняются в системе AutoCAD с применением средств точного построения. Являясь одним из средств освоения фундаментальной базы знаний, используемой при изучении курса «Геометрическое моделирование», задания по начертательной геометрии заставляют овладеть значительной частью инструментов двумерных построений системы AutoCAD. Это позволяет облегчить и ускорить изучение средств объемного моделирования AutoCADа в курсе «Геометрическое моделирование». Каждый, кому приходилось читать курс «Инженерная графика», согласится с тем, что многие студенты легко запоминают и воспроизводят на эпюре Монжа методы решения элементарных позиционных и метрических задач начертательной геометрии, но им сложно понять и представить, как происходят эти построения в пространстве.

Отсутствие связи между представлением геометрических фигур на ортогональных плоскостях и пространственным видом является препятствием для самостоятельного применения изученных методов при решении сложных задач. Принятый автором подход, требующий уделять часть внимания изучению системы AutoCAD, делает задачу повышения наглядности изложения разделов начертательной геометрии еще более актуальной.

Можно выделить три основных направления компьютеризации изучения начертательной геометрии:

• Компьютеризация исполнения чертежей;
• Разработка электронных пособий и учебников;
• Разработка обучающих систем.

До внедрения персональных ЭВМ для компьютерного черчения применялись различные системы, сейчас чаще всего используется AutoCAD (одно из самых первых упоминаний о применении AutoCADа в учебном процессе в отечественной практике [1]). Существуют и другие системы, которые могут быть применены в этих целях, например, «Компас». Признавая ее определенные достоинства, автор находит целесообразным применение AutoCADа, ставшего фактическим стандартом и обладающего непревзойденным набором возможностей.

Электронные учебники и обучающие системы в области инженерной графики стали активно разрабатываться и применяться с появлением персональных компьютеров, что объясняется необходимостью в качественной графике и обеспечении интерактивного взаимодействия с обучаемым. Разрабатывавшиеся в некоторых высших учебных заведениях обучающие системы предлагают учебный материал и тестовые задания в виде текстов и статических изображений. Обучаемый должен выбрать правильный ответ из нескольких предложенных вариантов [2], либо ввести координаты точек, размеры и т.п., после чего ответ оценивается компьютером [3]. Позднее появились системы, позволяющие выполнять решение графически на экране компьютера, в качестве ответа обучаемый должен был указать одну или несколько точек своего чертежа [4], но и в таких системах не применялись пространственные построения. Все эти системы в той или иной мере являлись как учебными, так и тестирующими программами. С развитием средств объемного моделирования и визуализации появилась возможность генерации статических или анимированных трехмерных изображений изучаемых геометрических фигур.Это привело как к включению таких иллюстраций и фильмов в обучающие системы, так и к появлению электронных учебных пособий, не содержащих интерактивной тестирующей и обучающей части. Эти учебники разрабатываются обычно в виде HTML-файлов, что облегчает применение гипертекстовых технологий, и обеспечивает возможность
дистанционного доступа.

Автор поставил перед собой задачу: разработать обучающую систему, позволяющую студентам выполнять те или иные геометрические построения на эпюре Монжа и одновременно просматривать результаты с применением пространственных видовых операций.

Требования к системе:

• поддержание соответствия между плоским и пространственным представлением геометрических фигур;
• применение к объектам в пространственном представлении общепринятых в трехмерных графических системах видовых операций;
• имитация работы с «инструментами чертежника», такими, как карандаш, линейка, циркуль, измеритель, угольник, на эпюре Монжа;
• обеспечение режима обучения, т.е. показ примера решения, выдача задания, проверка результатов решения.

С участием студентов специальности ПО разработана локальная версия обучающей системы, частично отвечающая поставленным требованиям. Ее можно применять при изучении некоторых разделов курса «Инженерная графика» [5,6].

Для создания уроков в системе используется специальный язык, описывающий геометрические фигуры и операции над ними. Уроки могут формироваться как с использованием текстового редактора, так и в режиме запоминания действий пользователя. При этом каждой операции над объектами ставится в соответствие одно или несколько предложений упомянутого выше языка. Схема потоков данных в системе приведена на рис. 1.

Рисунок 1 — Потоки данных в обучающей системе

Для проверки правильности действий обучаемого анализируется состояние графической базы данных. Система проверяет, появился ли объект (точка, отрезок), соответствующий правильному решению. Разработан ряд уроков (принадлежность точки прямой, определение натуральной величины отрезка, определение расстояния между параллельными прямыми и расстояния от точки до прямой и плоскости и т.п.).

При решении задач студенты могут применять различные методы преобразования чертежа.

Самый простой, но и самый понятный пример приводится на рис. 2. Обучаемый может убедиться, что точка принадлежит прямой тогда и только тогда, когда обе ее проекции принадлежат проекциям прямой.

Рисунок 2 — Принадлежность точки прямой

Произведя преобразование чертежа с целью привести изучаемый объект в частное положение (например повернуть треугольник вокруг линии уровня так, чтобы он оказался параллельным одной из главных плоскостей и проецировался на нее в натуральную величину), обучаемый может наблюдать отдельные этапы решения и оценить результат. Опуская на плоскость перпендикуляр (рис. 3), можно видеть, действительно ли построенный отрезок перпендикулярен плоскости. Отыскивая точку пересечения прямой и плоскости, можно визуально оценить, принадлежит ли найденная точка плоскости. Эти примеры можно продолжить.

Рисунок 3 — Построение перпендикуляра из точки на плоскость

Следующим шагом явилась разработка дистанционной системы, сохраняющей основные возможности локальной версии и предусматривающей возможность работы с линейчатыми поверхностями [7,8].

Построение производится в ходе графического диалога на двух проекциях с помощью набора чертежных инструментов в кадре Java-апплета. В ходе построения система анализирует базу данных примитивов, определяющих изображение проекций, с целью получения координат точек, необходимых для построения трехмерной модели изучаемого объекта. Java-апплет в соответствии с полученными параметрами модели генерирует VRML-программу, отображаемую в окне броузера.

В качестве примера рассмотрим задачу построения винтового коноида. Для этого необходимо задать на эпюре Монжа направляющие и построить образующие (рис. 4).

Рисунок 4 — Построение винтового коноида

Дальнейшую подготовку в области компьютерной графики студенты специальности ПО получают в курсе «Графическое и геометрическое моделирование и интерактивные системы». Программа курса состоит из следующих основных разделов:

• Основы компьютерной графики;
• Методы и алгоритмы геометрического моделирования;
• Разработка графических диалоговых систем;
• Инструментальные средства объемного моделирования в системах AutoCAD и 3D Studio MAX.

В ходе лабораторных работ студенты осваивают на практике аффинные преобразования на плоскости и в пространстве, методы задания аппарата проецирования и получения проекционных координат, изучают методы генерации различных видов трехмерных моделей и их реализацию в системах AutoCAD и 3D Studio MAX. Изучаются также средства адаптации и расширения графических систем (настройка интерфейса, разработка пользовательских меню и образцов штрихования, использование блоков и программирование на языке AutoLISP в среде AutoCAD) и средства анимации и визуализации с применением имитации окружающей среды в 3D Studio MAX.В ходе курсового проектирования разрабатываются графические редакторы для создания и редактирования моделей трехмерных объектов. Обязательными требованиями при этом являются параметризация объектов, возможность произвольной ориентации камеры и удаления невидимых частей с применением заданного метода.

Созданные под руководством автора обучающие системы позволяют интенсифицировать изучение инженерной графики и повысить качество усвоения материала. Программы курсов «Инженерная графика» и «Графическое и геометрическое моделирование и интерактивные системы», разработанные автором, позволяют обеспечить соответствующую современным требованиям подготовку специалистов

1. Апанасенко Л.Г., Астапкович И.И., Борисова Т.В. Интенсификация обучения машинной графике на ПЭВМ IBM PC/AT // Тез. докл. IX научно-методического семинара «Инженерная и компьютерная графика». Севастополь, 1989.- С. 108.
2. Бинькова И.И. Программированный контроль как оперативный метод контроля знаний по начертательной геометрии // Тез. докл. IX научно-методического семинара «Инженерная и компьютерная графика». Севастополь, 1989.- С. 122-123.
3. Воротникова Н.И., Иванова С.И. Лабутин Л.А. Об одном подходе к разработке диалоговых учебных программ по инженерно-графическим дисциплинам на базе ПЭВМ // Тез. докл. V Всесоюзной конференции по машинной графике «Машинная графика 89». Новосибирск, 1989.- С. 171.
4. Корженевич И.П., Куприй В.П., Бездетко П.В. Обучающе-контролирующая программа по начертательной геометрии // Тез. докл. II международной конференции «Компьютерные программы учебного назначения». Донецк, 1994. –С. 82.
5. Карабчевский В.В. Повышение качества преподавания инженерной графики путем разработки и применения обучающих систем. Научные труды Донецкого государственного технического университета. Серия: Информатика, кибернетика и вычислительная техника, (ИКВТ-99) выпуск 6:-Донецк: ДонГТУ, 1999. - С. 294-299.
6. Карабчевский В.В. Компьютерные технологии обучения в курсе инженерной графики // Труды IX международной научно-методической конференции «Наукоемкие технологии образования». Таганрог, 1999. - С. 56-57.
7. Карабчевский В.В., Детюк С.В. Разработка и применение системы дистанционного обучения в курсе инженерной графики. Научные труды Донецкого государственного технического университета. Серия: Информатика, кибернетика и вычислительная техника, (ИКВТ-2000) выпуск 15:-Донецк: ДонГТУ, 2000. - С. 220- 224.
8. Карабчевский В.В., Детюк С.В. Компьютерные технологии инженерной графике: опыт разработки и применения обучающих систем // Сборник трудов 4-й Международной конференции «Образование и виртуальность-2000». Харьков- Севастополь: УАДО, 2000. - С. 165-169.