Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,006

РОЛЬ И МЕСТО АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ

Чудинский Р.М. 1 Горбунов Н.А. 1
1 ФГБОУ ВО «Воронежский государственный педагогический университет»
В статье рассматриваются вопросы о месте аддитивных технологий в системе общего, среднего профессионального, высшего и дополнительного образования. Представлены примеры и особенности образовательных программ соответствующей направленности. В рамках исследования обозначено противоречие между существующим в настоящее время масштабным внедрением аддитивных технологий в образовательный процесс систем общего, среднего профессионального, высшего образования и дополнительного образования детей и разночтениями в понятийном аппарате, терминологии, характеризующими использование аддитивных технологий в образовательном процессе. Проведен анализ отечественных и зарубежных исследований с целью определения понятия «аддитивные технологии», представлен процесс становления определения «аддитивное производство» и показаны его отличия от понятия «быстрое прототипирование». Предложены авторские определения понятий «аддитивные технологии», «аддитивные технологии в образовании», проанализированы аддитивные технологии как отдельная дисциплина и как раздел уже имеющихся дисциплин. Обозначена цель внедрения аддитивных технологий в образовательный процесс общеобразовательных организаций, профессиональных образовательных организаций, образовательных организаций высшего образования и организаций дополнительного образования. Представленный понятийный аппарат позволит определить роль и место аддитивных технологий в образовательном процессе с учетом уровней образования и направленности профилей подготовки.
аддитивные технологии
образовательный процесс
производство
понятийный аппарат
средства обучения
1. Сибиряков П.Г. Облик новой промышленной революции в монографии «Четвёртая промышленная революция» Клаус Шваб // Стратегические приоритеты. 2017. № 1(13). С. 130-140.
2. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 14 июля 2021 г. № 1913-р «Стратегия развития аддитивных технологий в Российской Федерации на период до 2030 года». [Электронный ресурс]. URL: http://static.government.ru/media/acts/files/1202107160042.pdf (дата обращения: 14.09.2022).
3. Приказ Министерства образования и науки РФ от 22 декабря 2015 г. № 1506 «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования по специальности 15.02.09 Аддитивные технологии». [Электронный ресурс]. URL: https://fgos.ru/fgos/fgos-15-02-09-additivnye-tehnologii-1506 (дата обращения: 14.09.2022).
4. Приказ Министерства науки и высшего образования РФ от 31 июля 2020 г. N 870 «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта высшего образования - бакалавриат по направлению подготовки 27.03.05 Инноватика» (с изменениями и дополнениями). [Электронный ресурс]. URL: https://fgosvo.ru/uploadfiles/FGOS%20VO%203++/Bak/270305_B_3_23082020.pdf (дата обращения: 14.09.2022).
5. Паспорт национального проекта «Образование»: утвержден президиумом Совета при Президенте Российской Федерации по стратегическому развитию и национальным проектам (протокол от 24 декабря 2018 г. № 16). [Электронный ресурс]. URL: http://static.government.ru/media/files/UuG1ErcOWtjfOFCsqdLsLxC8oPFDkmBB.pdf (дата обращения: 14.09.2022).
6. Большой энциклопедический словарь / гл. ред. А.М. Прохоров. М.: Советская энциклопедия, 1993. 1628 с.
7. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии аддитивного производства. Трехмерная печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2020. 648 с.
8. Standard Terminology for Additive Manufacturing – General Principles – Terminology ISO/ASTM 52900:2015. [Электронный ресурс]. URL: https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/5341680/mod_resource/content/1/ISOASTM52900.11961.pdf (дата обращения: 14.09.2022).
9. ГОСТ Р 57558-2017. Национальный стандарт российской федерации. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. М.: Стандартинформ, 2020. 12 с.
10. Go J., Hart A.J. A framework for teaching the fundamentals of additive manufacturing and enabling rapid innovation. Additive Manufacturing. 2016. no. 10. P. 76-87.
11. Зленко М.А., Попович А.А., Мутылина И.Н. Аддитивные технологии в машиностроении: учебное пособие. СПб.: СПбГУ, 2013. 221 с.
12. Зорин В.А., Полухин Е.В. Аддитивные технологии // СТТ: строительная техника и технологии. 2016. № 3 (119). С. 54-57.
13. Дресвянников В.А., Страхов Е.П. Аддитивные технологии как технологическая инновация: понятие, содержание, анализ развития // Экономика и менеджмент инновационных технологий. 2018. № 1. [Электронный ресурс].URL: https://ekonomika.snauka.ru/2018/01/15666 (дата обращения: 14.09.2022).

В настоящее время применение аддитивных технологий получило широкое распространение во многих сферах жизни человека и производства, например в медицине, строительстве, промышленности и ряде других. Необходимость внедрения аддитивных технологий в систему образования на различных ее уровнях обусловливается ростом уровня присутствия данной технологии на мировом рынке и, как следствие, запросом на большее количество квалифицированных специалистов в данной области. К.М. Шваб выделяет 3D-печать (или аддитивные технологии) как один из четырех преобладающих технологических мегатрендов [1, с. 135]. Такая высокая оценка перспективности технологии привела к тому, что многие страны начали разрабатывать концепции и стратегии внедрения аддитивных технологий в свою экономику и промышленный сектор.

В Российской Федерации в 2021 г. разработана и утверждена Стратегия развития аддитивных технологий на период до 2030 г. В ней обозначена цель развития отрасли Аддитивные технологии – «обеспечение роста объема российского рынка аддитивных технологий (аддитивного оборудования и комплектующих, материалов для аддитивной печати, услуг и программного обеспечения). Основными направлениями развития отрасли аддитивных технологий должны стать создание конкурентоспособного аддитивного оборудования и материалов на базе российских технических решений и программного обеспечения, обеспечивающего реализацию национальных проектов, а также доминирование на внутреннем рынке аддитивных технологий с существенным увеличением экспорта аддитивного оборудования и комплектующих» [2, с. 11].

В соответствии с целью в данной Стратегии сформулирован ряд задач, комплексное решение которых предполагается вести по нескольким ключевым направлениям: научно-техническое развитие, производство, отраслевые стандарты и метрологическое обеспечение, кадры, кооперация, экономическая эффективность.

Большинство отечественных и зарубежных исследований подробно рассматривают аддитивные технологий с технической точки зрения. В этих исследованиях внимание авторов, как правило, направлено на изучение новых материалов, доступных для аддитивного производства, их поведение при различных нагрузках и в различных средах, способы организации производства с использованием установок для аддитивного производства и т.д. Проведенный анализ показал, что аддитивные технологии практически не рассматриваются авторами с точки зрения их использования в образовательном процессе как по отдельным уровням образования, так и независимо от конкретного уровня образования. Понятийный аппарат, посвященный применению аддитивных технологий в образовании, не сформирован в окончательном виде.

В Российской Федерации обучение аддитивным технологиям в настоящее время осуществляется в системах общего, среднего профессионального, высшего образования и дополнительного образования детей. В образовательном процессе профессиональных образовательных организаций и образовательных организаций высшего образования существуют одноименные программы подготовки, имеющие сугубо инженерно-техническую направленность. Например, Федеральный государственный образовательный стандарт среднего профессионального образования по программе подготовки 15.02.09 Аддитивные технологии [3] обеспечивает формирование у выпускников профессиональных компетенций, направленных на умение создавать и обрабатывать трехмерные объекты, настраивать и обслуживать установки для аддитивного производства, создавать макеты, прототипы и объекты с использованием аддитивных технологий. Также, согласно тексту Стратегии развития аддитивных технологий на период до 2030 г., для обеспечения кадрового резерва специалистов в отрасли аддитивных технологий осуществляется подготовка кадров по направлению «3D-моделирование для компьютерных игр» [2, с. 6].

В высшем образовании освоение аддитивных технологий на более высоком уровне осуществляется в рамках УГСН 15.00.00 «Машиностроение» по направлениям бакалавриата и магистратуры, а также в рамках подготовки бакалавров по направлению 27.03.05 Инноватика [4].

Отдельное направление отводится использованию аддитивных технологий в системе дополнительного образования детей благодаря комплексу мероприятий, реализуемому в рамках национального проекта «Образование» [5]. Появление центров дополнительного образования «Кванториум», «IT-куб» и иных позволило организовывать обучение детей по программам «Аддитивные технологии», «Прототипирование», «3D-моделирование» и ряду других. Кроме того, федеральная сеть центров образования цифрового и гуманитарного профилей «Точка роста» также вносит непосредственный вклад в процесс организации обучения школьников с применением современных технологий, в том числе и аддитивных технологий. Вместе с тем указанные центры дополнительного образования не могут охватить всех обучающихся, желающих получать дополнительное инженерно-техническое образование. Основная роль в обучении детей аддитивным технологиям принадлежит общеобразовательным организациям, не каждая из которых оснащена соответствующими техническими средствами и программным обеспечением. На данный момент в общеобразовательных организациях освоение аддитивных технологий осуществляется, как правило, не в рамках определенных учебных предметов, а в рамках проектной деятельности (урочной и/или внеурочной). При этом обучение школьников аддитивным технологиям в рамках урочной и внеурочной деятельности в общеобразовательных организациях является ситуативным, стихийным, отсутствуют методические подходы к организации и реализации учебных занятий, методические рекомендации по применению соответствующего учебного оборудования и программного обеспечения.

Таким образом, проведенный анализ применения аддитивных технологий в системе образования позволил выявить противоречие между существующим в настоящее время масштабным внедрением аддитивных технологий в образовательный процесс систем общего, среднего профессионального, высшего образования и дополнительного образования детей и разночтениями в понятийном аппарате, терминологии, характеризующими использование аддитивных технологий в образовательном процессе.

Цель исследования: уточнить определение понятия «аддитивные технологии», предложить определение понятия «аддитивные технологии в образовании», выявить роль и место аддитивных технологий в системе образования Российской Федерации.

Материалы и методы исследования. Исследование выполнено на основе системного подхода, анализа отечественных и зарубежных исследований, нормативной документации РФ и международных стандартов в области аддитивных технологий, их применения в образовательном процессе.

Результаты исследования и их обсуждение

В первую очередь понятие «аддитивные технологии» следует рассматривать с точки зрения этимологического анализа. Определение слова «технология» представлено в Большом энциклопедическом словаре как «технология (от греч. techne – искусство, мастерство, умение и ...логия) – совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции; научная дисциплина, изучающая физические, химические, механические и др. закономерности, действующие в технологических процессах. Технологией называют также сами операции добычи, обработки, транспортировки, хранения, контроля, являющиеся частью общего производственного процесса» [6, с. 1329]. В свою очередь, слово «аддитивные» сформировано от английского add – «добавлять». В соответствии с этим слово «аддитивные» мы можем определить как «добавляющие» или «примешивающие». В контексте этимологического анализа аддитивные технологии представляют собой совокупность методов изготовления объекта путем добавления материала в процессе производства продукции.

Как отмечают Я. Гибсон, Д. Розен, Б. Стакер, «первоначально для описания процесса быстрого изготовления модели или макета системы или ее части перед окончательным запуском в производство или коммерциализацией использовался термин “быстрое прототипирование”» [7, с. 28]. Вместе с развитием технологии, улучшением качества создаваемого продукта и все большей его связью с конечным результатом технический комитет, созданный в рамках Американского общества специалистов по тестированию материалов (American Society for Testing and Materials), принял решение о введении нового понятия «аддитивное производство» (additive manufacturing).

Данное определение аддитивного производства, введенное в международном стандарте ISO/ASTM 52900:2015 «Additive manufacturing–Generalprinciples–Terminology», IDT [8], также представлено в ГОСТ Р 57558-2017 «Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы»: «аддитивное производство – это процесс изготовления деталей, который основан на создании физического объекта по электронной геометрической модели путем добавления материала, как правило, слой за слоем, в отличие от вычитающего (субтрактивного) производства (механической обработки) и традиционного формообразующего производства (литья, штамповки)» [9, с. 2]. Данное определение позволяет рассматривать аддитивное производство как полноправный вид производства и соответственно выделять его плюсы и минусы перед другими технологиями получения итогового продукта. Отличие быстрого прототипирования и аддитивного производства заключается в том, что последнее (по мере развития технологии) подразумевает все большую связь с конечным результатом, в то время как даже название первого подразумевает именно прототип, а не продукт. Вместе с тем, в ГОСТ Р 57558-2017 «Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы» отсутствует определение понятия «аддитивные технологии».

Проведенный анализ показал, что в настоящее время отсутствует единое общепринятое определение понятия «аддитивные технологии».

В Стратегии развития аддитивных технологий в Российской Федерации на период до 2030 г. аддитивные технологии определяются «как отрасль экономики, включающая в себя разработку и производство аддитивного оборудования, комплектующих, 3 материалов для аддитивного производства и специализированного программного обеспечения, а также услуги и инжиниринг в сфере аддитивных технологий» [2, с. 2].

J. Go, A.J. Hart под аддитивным производством (анг. additive manufacturing) понимают «метод создания объектов “снизу вверх” путем послойного наложения материала» [10, с. 76].

М.А. Зленко, А.А. Попович, И.Н. Мутылина дают следующее определение: «аддитивные технологии (от анг. additive fabrication) – обобщенное название технологий, предполагающих изготовление изделия по данным цифровой модели (или CAD-модели) методом добавления материала» [11, с. 5].

В.А. Зорин, Е.В. Полухин отмечают, что «аддитивные технологии – методы изготовления изделий, основанные на процессе объединения материала, с целью создания объекта из данных 3D-модели» [12, с. 54].

В.А. Дресвянников, Е.П. Страхов предлагают следующее определение: «аддитивные технологии – это межотраслевые технологии получения трехмерных материальных объектов из цифровой модели путем послойного нанесения материала» [13].

Проведенный анализ определений понятия «аддитивные технологии» показал, что в качестве родового признака можно выделить процесс послойного производства объекта. Принцип послойного построения так или иначе указывается почти всеми авторами и является отличительной чертой по отношению к другим технологиям производства.

Все представленные определения имеют общие признаки: необходимость послойного построения объекта и зависимость процесса построения от цифровых данных, использование установок для аддитивного производства и т.д. Вместе с тем, никто из перечисленных авторов не указывает в своих определениях, представленных выше, сразу все эти признаки. В то же время исключение любого из этих признаков может привести к ошибочному пониманию определения «аддитивные технологии», что способствует неверному пониманию сути самой технологии и последующему применению на практике.

В соответствии с этим мы под аддитивными технологиями понимаем совокупность принципов, методов и средств создания трехмерного объекта путем его послойного построения в рабочей области установки для аддитивного производства. В контексте этого определения под установкой для аддитивного производства понимается «часть системы аддитивного производства, необходимая для выполнения цикла построения деталей, включающая аппаратную часть, программное обеспечение для настройки и контроля установки, а также периферийные приспособления, используемые для обслуживания установки, иными словами – 3D-принтер» [9, с. 3]. Представленное нами определение аддитивных технологий может применяться к промышленной сфере, к процессу получения продукта.

В качестве преимуществ аддитивных технологий при использовании их в процессе обучения можно выделить: возможность получения готовых прототипов изделий в рамках одного занятия, демонстрацию некоторых особенностей индустрии 4.0, безопасность процесса производства изделия, возможность разработки и печати вспомогательного оборудования для прочих предметов/дисциплин, расширение возможностей обучающихся при работе над собственными проектами.

Аддитивные технологии на разных уровнях образования внедряются c различной степенью интенсивности. На уровнях среднего профессионального, высшего и дополнительного образования детей указаны конкретные программы подготовки, предполагающие (в зависимости от уровня образования) определенные планируемые результаты освоения соответствующей образовательной программы.

В системе общего образования аддитивные технологии в большинстве общеобразовательных организаций Российской Федерации пока применяются лишь для организации внеурочной и проектной деятельности, а их место среди учебных предметов или среди разделов конкретного учебного предмета пока не определено до конца. В связи с этим аддитивные технологии могут выступать в качестве названия дисциплины / учебного курса, в рамках которой осуществляется обучение проектированию и производству прототипов и объектов различного назначения с использованием технологий послойного построения объектов. Этот аспект в полной мере реализуется в системе среднего профессионального, высшего и дополнительного образования. Также данным термином могут называться курсы внеурочной деятельности для обучающихся на уровне основного и среднего общего образования.

В свою очередь, аддитивные технологии в различной степени входят в состав различных дисциплин (на уровнях среднего профессионального и высшего образования) и учебных предметов на уровне общего образования. В данном случае аддитивные технологии выступают как раздел дисциплины/предмета, в рамках которого в зависимости от конкретного предмета изучаются вопросы управления оборудованием с числовым программным управлением, механика работы установок для аддитивного производства, проектирования и создания трехмерных объектов, свойств материалов для аддитивного производства.

Представленные выше направления применения аддитивных технологий на различных уровнях образования, уточненное понятие «аддитивные технологии» определяют необходимость формулировки понятия «аддитивные технологии в образовании». Аддитивные технологии в образовании необходимо рассматривать в двух основных аспектах:

1) как совокупность принципов, методов и средств создания трехмерного объекта путем его послойного построения в рабочей области установки для аддитивного производства, что непосредственно составляет основу понятия «аддитивные технологии» (набор технических средств, состоящий из технологий инженерного проектирования, 3D-моделирования, программ для подготовки g-code (слайсеров), установки для аддитивного производства);

2) область знаний, связанная с закономерностями, принципами и организацией образовательного процесса для его эффективного построения и реализации.

В связи с этим под аддитивными технологиями в образовании будем понимать организацию и управление образовательным процессом и учебной/профессиональной деятельностью обучающихся с использованием совокупности методов и средств создания трехмерного объекта путем его послойного построения в рабочей области установки аддитивного производства для получения планируемых результатов.

Заключение

В работе уточнено понятие «аддитивные технологии», предложена авторская формулировка понятия «аддитивные технологии в образовании». Предложенное определение понятия «аддитивные технологии в образовании» позволяет определить направления использования, роль и место аддитивных технологий в системе общего, среднего профессионального и высшего образования, дополнительного образования детей.

На современном этапе аддитивные технологии получают все более широкое внедрение и распространение в различных сферах производства, что требует, в первую очередь, от системы образования подготовки высококвалифицированных кадров. При этом выявлен ряд проблем, связанных с организацией образовательного процесса по их освоению обучающимися, начиная с уровня общего образования, что требует разработки методических подходов к организации и реализации учебных занятий с использованием аддитивных технологий, методических рекомендаций по применению соответствующего учебного оборудования, технических средств и программного обеспечения.


Библиографическая ссылка

Чудинский Р.М., Горбунов Н.А. РОЛЬ И МЕСТО АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ // Современные проблемы науки и образования. – 2022. – № 5. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=32065 (дата обращения: 27.02.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674