Геометро-графические дисциплины в техническом университете

Аннотация

В статье рассматриваются особенности содержания геометро-графических дисциплин, преподаваемых в техническом университете. Предложено определение профессиональной геометрографической компетентности. Наряду с описанием традиционного содержания геометро-графической подготовки, представлена характеристика ее современного состояния, сопряженного с информатизацией. Главной чертой современной графической подготовки определено 3D-моделирование. Авторами установлена основная цель модернизации графической подготовки, которая состоит в существенном росте качества обучения без увеличения количества учебных часов.

Ключевые слова: начертательная геометрия, инженерная графика, компьютерная графика, информационные технологии.

Введение

Современные информационно-коммуникационные технологии вносят изменения во все сферы человеческой деятельности. В высшем техническом образовании использование информационно-коммуникационных технологий обеспечивает качественную подачу изучаемого материала и сокращение времени на его усвоение.

В Федеральных образовательных стандартах высшего профессионального образования (ФГОС ВПО) акцентируется внимание на профессиональной компетентности. Под профессиональной геометро-графической компетентностью будем понимать уровень осознанного применения геометро-графических знаний и умений, опирающихся на понимание функциональных и конструктивных особенностей моделируемых объектов (в частности технических), опыт геометро-графической профессионально-ориентированной деятельности, а также свободную ориентацию в графических информационных технологиях.

Традиционное содержание геометро-графической подготовки

Из всего многообразия знаковых систем и языков, созданных мировой культурой, графический язык является уникальным в представлении научно-технической информации, что позволило ему стать профессионально-ориентированным языком в инжиниринге [1].

Этот язык – древнейший из языков мира. Он универсален: любая визуализация информации об объектах, процессах и явлениях в любой области человеческих знаний осуществляется средствами графического языка, алфавитом которого является визуальный ряд графических фигур – точек, отрезков прямых и дуг плоских кривых линий. Это – международный язык общения, точный, наглядный и лаконичный.

В профессиональном плане язык графики необходим инженерам как международный язык профессионального технического общения, понятный без вербального сопровождения. В социальном плане владение графическим языком играет коммуникативную роль, разрешая без помощи слов проблему понимания. Визуальная образованность позволяет наглядно отображать любые объекты и процессы. В личностном плане геометро-графическая грамотность способствует развитию творческого мышления.

Традиционно геометро-графическую подготовку в технических институтах обеспечивают две дисциплины: начертательная геометрия и инженерная графика. Начертательная геометрия развивает пространственное представление и воображение, конструктивно-геометрическое мышление, способности к анализу, синтезу и преобразованию пространственных форм и отношений на основе графических моделей пространства, реализуемых в виде чертежей конкретных пространственных объектов и зависимостей. Инженерная графика дает навыки чтения и выполнения эскизов и чертежей деталей, составления и чтения конструкторской документации.

Непременным требованием инженерного образования является умение будущего специалиста представить свою идею в виде чертежа. Но чертеж – это последняя стадия конструкторской работы. А рождающаяся в сознании человека новая идея, возникшая неожиданно, требует немедленного графического закрепления. В этом случае наиболее простой, удобной и быстрой фиксацией творческой мысли оказывается рисунок. Рисунок не только быстрый и информативный способ графического изображения, но и мощный способ становления образного мышления, и своеобразный способ познания действительности.

С развитием вычислительной техники в инженерную графику стали включать лабораторные занятия по компьютерной графике. Занятия начали проводиться в специализированных классах на компьютерах с предустановленным программным обеспечением. В основном использовался пакет AutoCAD.

В технических институтах геометро-графические дисциплины преподавали начиная с первого семестра. Традиционно объем изучаемых дисциплин составлял 2–3 семестра. В МГТУ им. Н.Э. Баумана по большинству специальностей графическая подготовка велась в течение двух лет: 1-й семестр – начертательная геометрия, по окончании экзамен; с 1-го по 4-й семестр – инженерная графика, по окончании каждого семестра зачет с оценкой. Компьютерная графика и технический рисунок входили в инженерную графику.

Геометро-графические дисциплины являлись частью блока общепрофессиональных дисциплин и обеспечивали начальную профессиональную подготовку студентов.

Современное состояние геометро-графической подготовки

Профессиональная подготовка студентов в техническом университете ставит перед геометро-графическим образованием такие основные цели: интеллектуально развивать студентов, формируя качества мышления, которые характерны для геометро-графической деятельности в выбранной специальности и необходимы человеку для полноценной жизни в обществе; передавать конкретные геометро-графические знания, умения и навыки, которые необходимы для изучения смежных дисциплин, для применения в профессиональной деятельности, для продолжения непрерывного образования; формировать представления об идеях и методах геометро-графического моделирования как форме описания и познания действительности; воспитывать личность в процессе освоения дисциплин геометро-графического цикла [2].

В настоящее время в высшем техническом профессиональном образовании успешно развивается инновационная стратегия комплексной информатизации геометрической и графической подготовки, разработанная Научно-методическим советом по начертательной геометрии, инженерной и компьютерной графике Министерства образования и науки Российской Федерации [3].

Главной чертой современной графической подготовки является 3D-моделирование. Оно значительно повышает производительность и качество моделирования, его вариативность и наглядность. На всех стадиях жизненного цикла изделий присутствуют информационные модели, в число которых входят 3D геометрические модели. Современное производство предполагает, что над созданием нового изделия могут одновременно работать дизайнеры, инженеры, экономисты и т. д. В этой связи основополагающей является трехмерная геометрическая модель – математическое описание структуры изделия и геометрических характеристик его элементов. Электронным воплощением геометрической модели становится электронная модель. По существу, электронная модель представляет набор данных, однозначно определяющих форму, структуру и размеры изделия. При необходимости 3D-модель преобразовывается в 2D-модель, то есть чертеж изделия. Именно электронная модель играет роль первоисточника для всех этапов жизненного цикла изделия, хранится в базе данных проекта и обеспечивает решение инженерных задач при проектировании, производстве, эксплуатации и утилизации.

Таким образом, в курс геометро-графических дисциплин технического университета входят следующие дисциплины:

• Фундаментальная – начертательная геометрия (теория геометрического моделирования);
• Прикладная – инженерная графика;
• Технологическая – компьютерная графика.

Начертательная геометрия является наукой о построении конструктивных моделей пространств, то есть таких моделей, в которых, в отличие от аналитических моделей, элементы пространства отображаются графическими образами [4]. Основная задача начертательной геометрии – разработка теории, методики, алгоритмов построения геометрических моделей объектов, явлений, технологических процессов, то есть создание теории геометрического моделирования. В начертательной геометрии моделирование объекта решается прямой задачей: по данному объекту и аппарату проецирования получить модель. Конструирование объекта решается обратной задачей: по данной модели и аппарату проецирования сконструировать объект. Наличие конструктивной взаимосвязи объектов и моделей позволяет изучать свойства оригиналов по их моделям. Современная начертательная геометрия с ядром – теорией геометрического моделирования – позволяет упорядочить имеющиеся методы изображений и осуществлять направленный поиск моделей с наперед заданными свойствами для тех или иных областей приложений.

Университетский курс начертательной геометрии включает в себя лекции и практические занятия. Так как начертательная геометрия является одной из основополагающих дисциплин, на лекции возможно объединение учебных групп в потоки. Мониторинг усвоения знаний и навыков осуществляется применением системы тестов и контрольных работ по каждой изучаемой теме.

Студенты первого курса не готовы сразу приступить к изучению компьютерной графики, поскольку еще не имеют достаточных знаний по формообразованию, оформлению изображений. Основная задача учебной дисциплины «Инженерная графика» – построение и оформление изображений в соответствии с ГОСТами, а также создание технической документации.

Инженерная графика – одна из немногих учебных дисциплин, которая идеально интегрируется в компьютерные технологии и предполагает возможность широкого использования интерактивных дидактических средств, автоматизированных обучающих систем, мультимедийных средств представления информации, тестового контроля.

Учебная дисциплина «Компьютерная графика» включает в себя стандарты по созданию электронных конструкторских и технологических документов, терминологию, классификацию и структуру модели. Основная задача дисциплины – построение 3D геометрических моделей и оформление технической документации в системах автоматизированного проектирования (САПР).

Анализ способов создания твердотельных моделей в современных САПР, таких как КОМПАС, AutoCAD, Inventor, Solid Works, T-FLEX, Pro/Engineer, CATIA и т. д., позволяет говорить о возможности создания единого алгоритма твердотельного моделирования в зависимости от геометрии детали. С этим алгоритмом необходимо ознакомить студентов уже на младших курсах.

Обучение инструментальной среде организовано в виде аудиторных занятий в компьютерных классах. Каждый студент обеспечен учебным пособием, комплектом домашних заданий и лицензионной копией пакета среднего САПР. Это позволяет студентам прорабатывать самостоятельно материал, полученный на аудиторных занятиях, а на последующих занятиях разбирать возникшие вопросы.

Тенденции развития геометро-графической подготовки

В соответствии с ФГОС ВПО, геометро-графическая подготовка входит в профессиональный цикл основной образовательной программы бакалавриата и специалитета.

В собственных стандартах МГТУ им. Н.Э. Баумана в профессиональном цикле ООП прописаны две учебные дисциплины: начертательная геометрия и инженерная графика.

Главная цель модернизации графической подготовки – существенный рост качества обучения без увеличения количества учебных часов, а стратегически новым подходом к информатизации геометро-графической подготовки становится обеспечение требований информационной поддержки жизненного цикла изделий (PLM-технологий). Поскольку геометро-графическая подготовка является начальной и базовой в системе высшего профессионального образования, ее основная задача – создание информационно-графической основы для внедрения методов PLM в общеинженерные и специальные дисциплины на всех этапах обучения, включая курсовое и дипломное проектирование.

Важность этого направления подтверждается принятием новых стандартов ЕСКД [5]: ГОСТ 2.051 «Электронные документы. Общие положения»; ГОСТ 2.052 «Электронная модель изделия. Общие положения»; ГОСТ 2.053 «Электронная структура изделия. Общие положения». А также разработкой следующих стандартов: ГОСТ 2.511 «Правила передачи электронных конструкторских документов. Общие положения»; ГОСТ 2.512 «Правила выполнения пакета данных для передачи электронных документов. Общие положения»; ГОСТ 2.611 «Электронный каталог изделий. Общие положения»; ГОСТ 2.612 «Электронный формуляр. Общие положения».

Современный уровень развития трехмерной параметрической компьютерной графики, используемой в системах автоматизированного проектирования, принципиально изменил сферу проектно-конструкторской деятельности и ее проявление в графическом документировании [6]. Параметрическая база данных, представленных в форме 3D-моделей, становится источником готовых моделей типовых конструкций деталей и узлов. Гибкость и простота изменения геометрических параметров облегчают моделирование в системах автоматизированного проектирования, а возможность выполнения сборки и разборки соединений исключает случайные ошибки. Принципиально изменяется процесс разработки чертежей по трехмерным моделям деталей и моделям сборочных единиц. Электронные модели изделий являются исходными данными для систем прочностного анализа, кинематики и динамики механизмов. Интуитивно понятный интерфейс и подсистема помощи обеспечивают возможность быстрого и самостоятельного освоения системы автоматизированного проектирования непосредственно в процессе ее практического использования.

Таким образом, преподавание геометро-графических дисциплин должно сосредоточиться главным образом на геометрическом моделировании и графическом документировании.

Область геометрического моделирования перекрывается начертательной геометрией с ее модельной идеологией. Под моделью понимается материальный или идеальный объект, который рассматривается для изучения исходного объекта (оригинала) и отражает наиболее важные (с точки зрения цели изучения) свойства, качества или параметры оригинала [7]. Моделирование – это построение моделей объектов (предметов, явлений, процессов), существующих в действительности, то есть замена реального объекта его подходящей копией для исследования этих объектов познания. Геометрическая модель – приближенное представление какого-либо множества объектов, явлений внешнего мира в виде совокупности геометрических многообразий и отношений между ними для получения новых знаний об оригинале. В геометрической модели могут отображаться элементы разной размерности (в каких-либо сочетаниях и отношениях между собой), имеющие свою внутреннюю структуру. Геометрические модели включают и количественные отношения элементов модели. Это количественные характеристики геометрических фигур, полученные в результате измерений. Это функциональные зависимости между параметрами модели и их аналитические обобщения, связанные с производными, интегралами и т. д. Это алгебраические выражения, направленные на численную реализацию количественных (и качественных) закономерностей (свойств) модели, а следовательно, и реального моделируемого объекта [8].

Для визуализации геометрических моделей используются идеализированные геометрические объекты (точка, линия, плоскость и т. д.), которые в отличие от реальных объектов обладают набором только наиболее существенных свойств (геометрическая точка имеет только координаты, но не имеет размеров, геометрическая линия не имеет ширины, геометрическая плоскость – толщины и т. п.). Графическая визуализация геометрических моделей представляет собой образ (зрительно / визуально воспринимаемый) идеализированных геометрических объектов, составляющих геометрическую модель.

Геометрическая модель – это идеальная форма существования реального объекта, то есть, прежде чем конструировать какое-либо изображение, необходимо вначале заменить объект реального пространства на геометрический объект, называемый оригиналом, поскольку в реальном мире мы не всегда оперируем точками, плоскостями и т. п. Другими словами, сначала нужно сконструировать модель реального пространства, а затем построить его изображение – геометрическую модель. Таким образом, геометрическая модель является общим случаем моделей реальных объектов [9], поскольку позволяет получать различные модели, выходящие за рамки реальных объектов, например, построение моделей многомерных пространств. Такие модели находят применение для отображения процессов и явлений в различных сферах нашей действительности (экономических, экологических, технологических, социальных и т. п.).

Область графического документирования перекрывается учебной дисциплиной «Инженерная графика», которая должна включать в себя освоение инженерных языков графического представления информации, прежде всего о геометрических свойствах изделий, обеспечивающих организацию и управление разработкой и эксплуатацией технических систем. Основная цель дисциплины – развитие системного мышления, подготовка к решению прикладных задач геометрического моделирования средствами традиционной и компьютерной технологий, а также обучение основам графического документирования при решении задач разработки конструкторской документации.

Выпускник технического университета должен быть всесторонне графически грамотным. Одним из средств, повышающих графическую культуру, является рисунок. Именно технический рисунок предоставляет студентам знания, приемы и правила для выполнения объемных изображений с натуры и по ортогональному чертежу. Выполнение эскизов как реализация графической мысли тоже остается за традиционными средствами инженерной графики.

Заключение

Именно в таком представлении: научная дисциплина – начертательная геометрия с ее модельной идеологией и практическая дисциплина – инженерная графика как графическое документирование, геометро-графические дисциплины, поддержанные компьютерными технологиями, обеспечат получение студентами компетенций не только в предметной области инженерной графики, но и по общеинженерным и специальным дисциплинам, вплоть до дипломной работы и практического использования на производстве [10].

Ссылки:

1. Покровская М.В. Инженерная графика: панорамный взгляд (научно-педагогическое исследование). М., 1999. 138 с.
2. Гузненков В.Н., Якунин В.И. Геометро-графическая подготовка как интегрирующий фактор образовательного процесса // Образование и общество. 2014. № 2. С. 26–28.
3. Инновационная стратегия комплексной информатизации геометрической и графической подготовки в высшем техническом профессиональном образовании на современном этапе / В.И. Якунин, Р.М. Сидорук, Л.И. Райкин, О.А. Соснина // Научно-методические проблемы графической подготовки в техническом вузе на современном этапе : материалы Междунар. науч.-метод. конф. (Астрахань, 15–17 сентября 2010 г.). Астрахань, 2010. С. 228–235.
4. Джапаридзе И.С. Начертательная геометрия в свете геометрического моделирования. Тбилиси, 1983. 208 с.
5. Проблемы качества графической подготовки студентов в техническом вузе: традиции и инновации (КГП-2014) [Электронный ресурс] : материалы IV Междунар. интернет-конф. URL: http://dgng.pstu.ru/conf2014/ (дата обращения: 30.07.2014).
6. Гузненков В.Н. Преподавание информационных технологий в графических дисциплинах технического университета // Открытое образование. 2013. № 1. С. 4–7.
7. Гузненков В.Н., Журбенко П.А. Модель как ключевое понятие геометро-графической подготовки // Alma mater (Вестник высшей школы). 2013. № 4. С. 82–87.
8. Иванов Г.С. Перспективы начертательной геометрии как учебной дисциплины // Геометрия и графика. 2013. Т. 1. С. 26–27
9. Якунин В.И., Гузненков В.Н. Геометрическое моделирование как обобщение методов прикладной геометрии и ее разделов // Интеграл. 2012. № 5. С. 26–27.
10. Гузненков В.Н. Геометро-графическая подготовка в техническом университете // Российский научный журнал. 2013. № 6. С. 159–166.