Содержание дисциплин, определяющих графическое образование студентов технических специальностей, устанавливается стандартом соответствующего направления подготовки. Так, например, в рамках направления подготовки 150400.62 «Металлургия» предполагается, что студенты в процессе изучения дисциплины “Компьютерная графика” должны:
- Знать элементы начертательной геометрии и компьютерной графики, программные средства компьютерной графики.
- Уметь выполнять чертежи деталей и элементов конструкций.
- Владеть методами компьютерной графики, навыками работы с современными программными средствами подготовки конструкторско-технологической документации.
Аналогичные требования предлагаются стандартами других направлений подготовки. Меняется название дисциплины – «Инженерная графика», например, в направлении подготовки 150700.62 «Машиностроение» и 150100.62 «Технологические машины и оборудование» при полном отсутствии в стандартах каких-либо требований к разделам изучаемой дисциплины; «Начертательная геометрия», «Инженерная и компьютерная графика» в направлении подготовки 140100.62 «Теплоэнергетика и теплотехника» при следующих требованиях к освоению данных предметов:
- Знать теорию и основные правила построения эскизов, чертежей, схем, нанесения надписей, размеров и отклонений, правила оформления графических изображений в соответствии со стандартами ЕСКД.
- Уметь читать чертежи и схемы, выполнять технические изображения в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД, выполнять эскизирование, деталирование, сборочные чертежи, технические схемы, в том числе с применением средств компьютерной графики.
- Владеть способами построения графических изображений, создания чертежей и эскизов, конструкторской документации с применением компьютерных пакетов программ.
Дисциплины, определяющие графическую подготовку студентов, участвуют, наряду с другими предметами, в формировании ряда профессиональных компетенций выпускников. Например, в стандарте направления подготовки бакалавров 150100.62 «Технологические машины и оборудование», текст соответствующих компетенций сформулирован следующим образом:
- умеет применять стандартные методы расчета при проектировании деталей и узлов изделий машиностроения;
- способность принимать участие в работах по расчёту и проектированию деталей и узлов машиностроительных конструкций, в соответствии с техническими заданиями и использованием стандартных средств автоматизации проектирования;
- способность разрабатывать рабочую проектную и техническую документацию, оформлять законченные проектно-конструкторские работы с проверкой соответствия разрабатываемых проектов и технической документации стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам.
Традиционно выделяют три взаимосвязанных раздела в графической подготовке студентов: «Начертательная геометрия» [1], «Инженерная графика или машиностроительное черчение» [2, 8], «Компьютерная графика» [7], изучаемых последовательно в 1-ом, 2-ом иногда 3-ем семестрах (1-ый и 2-ой курс). Такой подход, по мнению автора, неверен. Компьютерная графика – это не отдельный предмет, а метод обработки графической двухмерной и трёхмерной информации. Овладение этим методом должно начинаться с первого занятия дисциплины «Начертательная геометрия» и совершенствоваться в процессе всего образовательного процесса [3, 4].
Среди множества известных в мире систем проектирования изделий машиностроения, на территории Российской Федерации наибольшее распространение получили программные продукты Autodesk, SolidWorks, Аскон (Компас). По своим возможностям система Компас, даже с недавно появившимся модулем прочностных расчётов APM FEM, значительно уступает программным решениям Autodesk и SolidWorks. Его преимущество, поддержка стандартов ЕСКД и наличие баз стандартных элементов, соответствующих ГОСТу, с появлением таких же возможностей у Autodesk и SolidWorks оказалось утерянным.
С точки зрения преподавателя ВУЗа России, основными критериями выбора программного продукта, который мог бы быть рекомендован для графической подготовки студентов, по мнению автора, является наличие следующих признаков:
- Возможности, основанные на современных достижениях науки, 3D-моделирования, выполнения расчётов на прочность, усталость и других, динамического моделирования, подготовки конструкторской документации в соответствии со стандартами России, визуализации.
- Поддержка русского языка на уровне интерфейса, справочной системы и учебных пособий.
- Наличие бесплатных версий программных продуктов для обучения студентов в ВУЗе и, что очень важно, бесплатных студенческих версий программных продуктов для занятий вне ВУЗа (дома, в общежитии).
Программные продукты и Autodesk и SolidWorks отвечают перечисленным признакам. То, что на кафедре инженерной графики ЛГТУ было отдано предпочтение Autodesk, связано с тем, что начало внедрения в учебный процесс компьютерной графики (AutoCAD) относится к 1988 году. В то время о других программных продуктах автору известно не было. Решение о применении программных продуктов Autodesk было принято в 2011 году, когда появились их бесплатные студенческие версии.
В 2012 году ВУЗом приобретена коммерческая версия Autodesk Inventor Professional. На её основе выполнен ряд работ, связанных с оптимизацией конструкций рам культиваторов и подготовкой полного комплекта конструкторской документации для их изготовления [3]. Результаты выполненной работы показали высокую эффективность применения Autodesk Inventor Professional и таких его модулей, как «Анализ напряжений» и «Inventor Studio», для создания и представления проектных решений. Основываясь на приобретённом опыте работы с программными продуктами Autodesk, по согласованию с выпускающими кафедрами были кардинально изменены рабочие программы и методика обучения студентов.
Раздел «Начертательная геометрия», изучаемых на кафедре дисциплин, стал полностью строиться на базе AutoCAD. Разделы, связанные с выполнением машиностроительных чертежей, – на базе Autodesk Inventor Professional. Роль «ручного» черчения при выполнении графически работ сведена к минимуму.
В настоящее время на кафедре инженерной графики ЛГТУ обучаются студенты квалификации бакалавр 34 специализаций (по 22 направлениям подготовки). Программные решения Autodesk (AutoCAD и Inventor Professional) используются при подготовке студентов 28 специализаций. В ближайшей перспективе планируется ввести в учебный процесс изучение Autodesk Showcase и AutoCAD Electrical, а в дальнейшем – программных решений Autodesk в области архитектуры и строительства.
Конечный результат образовательной деятельности кафедры инженерной графики ЛГТУ, определяющий начальную графическую подготовку студентов, – способность эффективно и качественно решать практические задачи, связанные с созданием чертежей изделий машиностроения, а также для некоторых направлений подготовки – чертежей архитектурно-строительных, электрических и радиотехнических схем, чертежей печатных плат. По мнению автора, не вызывают сомнения следующие преимущества при изучении графических дисциплин, реализуемые с помощью программных продуктов Autodesk:
- Увеличение ресурсов времени при выполнении конкретной студенческой работы на изучение теории и, что очень важно, анализ возможных вариантов решения поставленной задачи, за счёт сокращения времени на выполнение самих чертежей.
- Применение методов трёхмерного моделирования позволяет резко повысить эффективность представления изучаемого материала на лекциях, практических занятиях и лабораторных работах.
По существу речь идёт о полной переориентации методики проведении всех видов занятий по дисциплинам графической подготовки студентов на современные инновационные образовательные технологии: «Компьютерное моделирование и анализ практических результатов», «Компьютерная симуляция», «Презентация с использованием мультимедийных средств» и другие. Основу методики изучения дисциплины «Начертательная геометрия» составляет AutoCAD, «Машиностроительное черчение» – Inventor Professional.
Очевидно, что применение в учебном процессе программных продуктов (AutoCAD и Autodesk Inventor) требует дополнительных затрат времени на приобретение практических навыков их использования. Опыт преподавательской деятельности на кафедре инженерной графики ЛГТУ показал, что для освоения AutoCAD в объёме, достаточном для оформления графических работ по начертательной геометрии (2D-чертежей), при наличии соответствующего методического обеспечения, необходимо от трёх до пяти практических занятий. В их рамках выполняется графическая работа, представленная на рис. 1. Первый лист работы выполняется частично на практических занятиях под руководством преподавателя, частично вне занятий – самостоятельно. Второй лист – индивидуальное задание, студент выполняет полностью самостоятельно на практическом занятии в присутствии преподавателя.
Рис. 1. Индивидуальная графическая работа №1. Знакомство с AutoCAD
Все остальные графические работы по дисциплине «Начертательная геометрия» содержат два варианта: плоский чертёж и трёхмерная модель. Основы 3D-моделирования в AutoCAD рассматриваются на практических занятиях при выполнении графических заданий. Следует отметить, что использование методов компьютерной графики позволяет перенести основную часть нагрузки, связанную с выполнением графических работ не только на практические занятия, но и на лекции. Например, при изучении темы «Пересечение плоскостей» преподаватель на лекции решает типовую задачу, связанную с построением линии пересечения двух плоскостей, заданных треугольниками. На этапе подготовки к лекции студенты строят в AutoCAD и распечатывают заготовку своей индивидуальной работы, на которой выполняется построение. На последующем практическом занятии создаётся 3D-модель пересечения плоскостей и проверяется правильность построенного методами начертательной геометрии решения.
Изучение дисциплины «Инженерная графика или машиностроительное черчение» предваряется изучением основ работы в Autodesk Inventor Professional в области создания 3D-моделей деталей и чертежа простейшей детали на основе её 3D-модели. На выполнение этих работ и изучение основ выполнения чертежей, в соответствие со стандартами ЕСКД, отводится от пяти до шести практических занятий. В рамках этих занятий студенты под руководством преподавателя создают твердотельную модель детали, показанную на рис. 2. Затраты времени на выполнение данной работы и изучение теоретического материала – три практических занятия. Третье занятие – создание 3D-модели (рис. 2) студентом самостоятельно в присутствии преподавателя. Как правило, студенту требуется на это от 0.5 до 1 часа времени.
Рис. 2. Твердотельная модель детали
На рис. 3 представлена работа, цель выполнения которой – изучение методов выполнения чертежей деталей средствами Autodesk Inventor.
Навыки, приобретённые студентами при изучении основ Autodesk Inventor, позволяют заметно повысить производительность их работы при выполнении последующих заданий, в том числе и по специальным дисциплинам [5, 6]. Представляется особенно важным повышение усвояемости материала за счёт возможности рассмотрения нескольких вариантов решения задач проектирования, наглядного представления результатов в виде 3D-моделей.
Рис. 3. Чертеж детали
В заключение следует отметить, что целью данной стать является не полное изложение всех этапов графической подготовки студентов на кафедре инженерной графики ЛГТУ, а помощь, если это необходимо, в выборе программного продукта и осуществлении первых шагов на пути внедрения в учебный процесс современных 3D-технологий компьютерного моделирования.
Рецензенты:
Володин И.М, д.т.н., профессор, проректор по научной работе, Липецкий государственный технический университет, г. Липецк.
Лебедев С.В. д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технологий сварки и покрытий, Липецкий государственный технический университет, г. Липецк.