Концепция подготовки инженеров в виртуальных технологиях SolidWorks: Учебно-методическое пособие

Министерство образования и науки Украины Национальный горный университет

Г.Г. Пивняк В.П. Франчук К.С. Заболотный Е.В. Панченко

КОНЦЕПЦИЯ ПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРОВ В ВИРТУАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ SolidWorks (Учебно-методическое пособие. Электронное издание)

Днепропетровск 2008

2

УДК 374.14

ББК 32.81 Ю 72

Ю 72

Концепция подготовки инженеров в виртуальных технологиях SolidWorks: Учебно-методическое пособие / Г.Г. Пивняк,

В.П. Франчук,

К.С. Заболотный,

Е.В. Панченко. – Днепропетровск: Национальный горный университет, 2008. – 36 с.

В учебно-методическом пособии представлен опыт внедрения Концепции подготовки инженеров в виртуальных технологиях SolidWorks, в основе которой – поэтапная визуализация дисциплин инженерного цикла и непрерывное обучение студентов в трехмерном мире инженерии специальности. Как доказано теоретически и практически, погружение в виртуальный мир инженерии – действительно эффективный учебный инструмент. Изучение инженерии происходит в полном соответствии с законом теории познания: от чувственного, образного восприятия трехмерной виртуальной реальности – к идеализированной абстракции. Пособие предназначено для преподавателей инженерных наук, руководителей высших учебных заведений, работников управления образования.. Ил. 15. Библиогр.: 21 назв

ББК 32.81 © Г.Г. Пивняк, В.П. Франчук, К.С. Заболотный, Е.В. Панченко, 2008 © Национальный горный университет, 2008

3

Предисловие В рецензируемой работе рассматривается одна из важнейших проблем в современном образовании, имеющей наибольшую актуальность при обучении студентов инженерных специальностей. Авторы правильно отмечают, что традиционные технологии обучения инженерным дисциплинам, не только не способствуют появлению интереса у студентов, но даже снижают мотивацию молодежи идти учиться в инженерные вузы. Этот объективный процесс имеет две причины, первая молодежь привлекает более высокая оплата экономистов и юристов, и вторая причина обусловлена большей трудностью обучения студентов на инженерных специальностях, по сравнению с гуманитарными дисциплинами. Есть ли стратегия в сфере образования для переориентации ценностей у молодежи. Как показано авторами работы есть. Нужно резко изменить технологию восприятия учебной инженерной информации в учебной деятельности студентов. Десятилетия подавляющее большинство традиционных систем обучения в школе и вузах делает акцент в учебном процессе на деятельность левого логического полушария мозга у учащегося, поскольку авторы традиционных систем обучения не знают, как решить проблему включения правого полушария мозга при восприятии информации. Трехмерная визуализация инженерной информации с помощью компьютерного моделирования блестяще решает эту проблему. Следует согласиться с мнением авторов проекта, что только изменение парадигмы обучения, толчок которой дал проф. Юрин В.Н., разработав оригинальную программу инженерного образования, назвав ее «компьютерным инжинирингом». Эта программа предполагает использовать единый инструмент – базовую CAD/CAM/CAE/PDM-систему как сквозное средство обучения по всем техническим дисциплинам учебного плана. На основе этого подхода авторы проекта разработали технологию обучения инженерных дисциплин на основе целостной системы виртуальных образов (3D-моделей).

4

Согласно концепции факторов творчества, изложенной в книгах Е. Синицына, О. Синицыной «Тайна творчества гениев», «Система развития одаренных детей», в психике индивида существуют восемнадцать факторов творчества, которые является инструментом развития информационносмысловых структур или иными словами приращения знаний у обучаемого. К ним относятся: вдохновение, воображение, удовольствие, чувство красоты и ряд других. Если вклады этих факторов в сознание и бессознательное велики, то происходит творческое восприятие информации, прочное запоминание. Когда учебная информация сопровождается высоким эмоциональным фоном, то это обеспечивает не только высокую мотивацию, но оставляет глубокий след информации в долговременной памяти. Эффективность обучения студентов инженерных специальностей с помощью предлагаемой целостной системы виртуальных образов объясняется тем, что авторы этой технологии сумели добиться того, что вклады творческих факторов в сознание студентов достаточно существенны. И в связи с этим картина обучения фантастически меняется. Студенты испытывают не отчуждение от процесса обучения, а напротив, оно становится радостным увлекательным процессом. Даже краткий анализ того, как подается информация в целостной системе виртуальных образов позволяет увидеть еще одну интересную и важную деталь обучения, которая состоит в оптимальном пошаговом включении правого и левого полушария мозга у обучаемого в процессе восприятия образной и логической информации. Например, при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Машиностроительное компьютерное черчение» сначала дается целостный объект, причем в цвете. Так начинается в сознании студента переход от трехмерных моделей к чертежам. Первый шаг – целостное одновременное восприятие объекта, на этом шаге реализуется основной принцип гештальтпсихологии, заключающийся в целостном бессознательном схватывании объекта. С первого шага восприятия студентами трехмерного виртуального учебного объекта в целостной системе виртуальных образов в их психической системе стимулируются высокие вклады факторов творчест-

5

ва, особенно вдохновение, воображение и спонтанность, чувство красоты и положительные эмоции, и чувство новизны, целостный охват ситуации. На этом шаге также при восприятии студентом информационного объекта у него сразу включается в деятельность правое образное полушарие мозга, одновременно восприятие информации обеспечивается работой двух юнговских психических функций: чувства и ощущения. Вклад этих психических функции более весом, чем вклад мышления и интуиции. Союз этих функций обеспечивает быструю ассимиляцию сознанием образной информации. Здесь же необходимо отметить большую роль цветовой палитры виртуальных образов. В сознании целенаправленными действиями конструктора системы (3D-моделей) создается очаг синтеза информационно-смысловых и образноцветовых смысловых структур. Не исключено, что синтез информационносмысловых и образно-цветовых смысловых структур является бессознательным и, по-видимому, инстинктивным. На последующих шагах осуществляется постепенная логическая детализация изучаемого объекта. Это уже функция левого полушария мозга и логического мышления. Совместная работа правого и левого полушария мозга стимулирует мозг студента быстро усваивать информацию и получать удовольствие от творческого процесса, которое испытывают художники, писатели, поэты, музыканты и ученые. Потенциал виртуальных образных технологий в обучении необозрим и потому у этих технологий, особенно в инженерных специальностях, большое будущее. Авторы проекта создают платформу для бесконечного разнообразия этих систем обучения. Несмотря на неоспоримые преимущества получения знаний студентами в этой технологии, есть еще одно, и может быть самое сильное достоинство целостной системы виртуальных образов в области преподавания инженерных дисциплин. И даже сами авторы этой системы возможно не подозревают о его существовании. В творческом процессе всё решают вклады психических факторов творчества. Только у гениев вклады этих факторов имеют максимальные значения, больше, чем у таланта и на порядок больше, чем у

6

обычного человека. Нет сомнения, что эти все восемнадцать факторов, которые мы иногда называем факторами гениальности, интенсивно стимулируются и развиваются при использовании трехмерной визуализации образов в 3D-моделей. И с каждой лабораторной работой по системе визуализации образов в 3D-моделей у студента возникает привычка и стремление войти в область, в которой отмечается высокий уровень вкладов спонтанности, воображения, вдохновения, чувство красоты и т.д. А это уже есть сложнейший процесс психосинтеза гуманистически ориентированной личности, формирование которой совершенно недоступно традиционным системам обучения. У гуманистически ориентированной личности автономный психонейрофизиологический функциональный комплекс перемещается в психическом пространстве в сторону области творчества и даже смещается в направлении области гениальности. Авторы проекта преодолевают труднейшую проблему в обучении – традиционные технологии обучения бессильны ликвидировать «белые пятна» в структурах информации в сознании студента после лекций, лабораторных работ, семинаров. С каждым курсом эти пробелы в знаниях накапливаются. Накопление «белых пятен» в сознании расчленяет учебную информацию на несвязанные смыслом участки и приводит к полной потере интереса у студентов к учебному процессу. В целостной системе виртуальных образов пробелы в информационно-смысловых структурах в сознании студента минимизированы. Поэтому приращение знаний на каждом шаге обучения в этой системе фактически оптимизированы. «Концепция подготовки инженеров в виртуальных технологиях SolidWorks» имеет большие перспективы и заслуживает пристального внимания в сфере образования и внедрения в учебную практику инженерных вузов. Евгений Синицын, кандидат технических наук, профессор Международной славянской академии наук, образования, искусств и культуры (г. Новосибирск).

7

Увидеть, чтобы понять! Состояние вопроса и постановка задачи. В своих обращениях к органам власти и средствам массовой информации известные ученые страны весьма обеспокоены катастрофическим снижением престижа инженерного труда. И действительно, труд инженера достойно не оценен, в печати не популяризован, условия работы и перспектива не весьма привлекательны. Итак, напрашивается вывод: нынешнее поколение не стремится в инженерию. Проблема молодых инженерных кадров существует и в крупных промышленно развитых странах, прежде всего Европы и США, где большинство юношей и девушек также порываются в юристы, финансисты, экономисты. Как отмечается в докладе Еврокомиссии, на протяжении следующих 20 лет Европейский Союз еще будет испытывать потребность по меньшей мере в 20 миллионах молодых образованных иммигрантов. Для привлечения в страны ЕС высококвалифицированных мигрантов (инженеров, преподавателей, знатоков информационных технологий) со всего мира Евросоюз даже имеет намерение выдавать «синие карты», что увеличит масштабы «утечки мозгов» из Украины [1]. Но, может, дело совсем в другом... Почему так происходит? Ни для кого не секрет, что с первых же шагов студенческой жизни недавние школьники начали прямо-таки бояться «сухих» технических дисциплин. Относительно указанного специалисты в сфере современной педагогики и психологии стараются заглянуть в корень этого непростого и тревожного явления. Например, в работе [2] ударение сделано на том, что при изучении таких учебных дисциплин, как математика, физика, черчение, начертательная геометрия, теоретическая механика, сопротивление материалов наблюдается несовместимость сложившейся логики развертывания предметного содержания с возрастной динамикой образного мышления учеников. Эта несовместимость создает дополнительные трудности юным умам при усвоении знаний, вызывая растерянность, разочарование, пассивность, затяжные отрицательные эмоции, связанные с потерей заинтересованности к восприятию информации. В традиционных методах обучения перед студентами, особенно первых курсов, таким

8

стремительным потоком проносятся совершенно новые и чаще всего туманные абстрактные образы, что их напряженный и жаждущий понимания разум вынужден выстраивать защитный барьер, поскольку материал лекций и не трогает, и не вызывает отклика. Поэтому сначала они теряют интерес к конкретному предмету, а со временем – и к будущей специальности вообще. У педагогики как науки – давняя история. За это время немало сделано и открыто, родились сотни разных образовательных концепций, методик, программ, написано тысячи и тысячи монографий, брошюр, статей. Главный тезис современной педагогики: «...обучение необходимо строить как процесс творчества учащихся» [3]. Еще великие говорили, что студент – не сосуд, который нужно наполнить знаниями, а факел, который необходимо зажечь. Но как зажечь того, кто к дисциплинам инженерного цикла остается безучастным? И такая позиция в некоторой степени логична, ведь объем абстрактной информации в них значительно превышает и так мизерную долю образной, что отнюдь не способствует развитию внутренних психофизиологических характеристик обучаемых [2], а наоборот: лишь отдаляет от инженерного поприща. Конечно, слушая преподавателя, влюбленного в свою дисциплину и способного преподать ее выразительно, толково и доступно, студенты, получая знания высочайшей пробы, не только с интересом, а подчас восторженно ловят каждое слово и в итоге – легко и быстро усваивают материал. К сожалению, не так много среди нас тех, которые бы, имели врожденную педагогическую мудрость, достаточный запас знаний и богатый жизненный опыт. По данным когнитивной психологии, около 80 % информации об окружающем мире мы получаем с помощью зрительного восприятия. Каждые 10 лет объем накопленной информации возрастает вдесятеро. А чтобы эта информация превратилась в знание, необходимо проанализировать гигантские массивы данных и при этом – постоянно учиться. Постоянно! Вот почему все большую популярность приобретают различные системы 3D-визуализации, виртуальной реальности (виртуального окружения). Так, из создания нового

9

научного направления, названного "научной визуализацией", усовершенствуются далее методы, расширяются границы и средства понимания решаемых проблем с привлечением к анализу информации о способности видеть и воспринимать изображения. В процессе развития визуализации как научной дисциплины глубоко осознанно, что человек лучше всего сможет достичь сути исследуемого явления, если "углубится в мир этого явления", т.е. в пространство модели, и когда это "углубление" усилено возможностью непосредственного манипулирования объектами в пространстве модели [4]. На основе изложенного и была сформулирована концепция виртуальной реальности (начало 90-х годов прошлого века) как высокоразвитая форма компьютерного моделирования в реальном масштабе времени, что давало пользователю возможность погружаться в искусственный мир – имитацию окружающей среды с высокой степенью реализма, с обратными связями в виде специальных сенсорных приборов. Вскоре появились (как же вовремя!) крупномасштабные установки виртуальной реальности, используемые в разных областях науки и техники. Ожидаемое предвидение: полномасштабная виртуальная инженерия с учетом интенсивного развития программноаппаратных средств автоматизированного проектирования уже в ближайшем будущем станет объективной реальностью [5]. Сознавая необходимость радикальных преобразований в преподавании инженерных дисциплин, в изменении парадигмы, проф. Юрин В.Н. разработал в своем фундаментальном труде [6] оригинальную программу инженерного образования, назвав ее «компьютерным инжинирингом». Эта программа предполагает

использовать

единый

инструмент

–

базовую

CAD/CAM/CAE/PDM-систему как сквозное средство обучения по всем техническим дисциплинам учебного плана. С внедрением в учебный процесс компьютерных технологий трехмерного моделирования профессора Каманин Л.Н., Якунин В.И., Горшков Г.Ф. (ВВИА им. Н.Е. Жуковского) призывают к переосмыслению устаревшей методологии давно сформированных программ инженерных дисциплин [5].

10

Построение модели учебного процесса для подготовки инженера современного уровня, когда благодаря творчеству при изучении дисциплин инженерного цикла можно достигать рационального соотношения абстрактной и образной информации с акцентом на развитие личности, да еще и с эмоциональной свежей струей, максимально раскрывая когнитивные и креативные качества у студентов, – актуальная задача выпускающих кафедр наших вузов. Изложение результатов. Идеи профессоров Юрина В.Н., Каманина Л.Н., Якунина В.И., Горшкова Г.Ф. получили свое дальнейшее развитие в НГУ – Национальном горном университете (г. Днепропетровск), в частности, на кафедре горных машин и инжиниринга (ГМИ). Именно в этом коллективе родилась и детально разработана концепция подготовки инженеров в виртуальных технологиях (далее – Концепция подготовки инженеров), в основе которой – поэтапная визуализация дисциплин инженерного цикла и непрерывное обучение в трехмерном мире инженерии специальности [7, 8]. Визуализация дисциплин инженерного цикла – это создание для восприятия целостной системы виртуальных образов (3D-моделей), что и поражают воображение, и увлекают, и расширяют горизонты. Недаром же она пленила наших воспитанников, которые познают, учась, и учатся, познавая 3Dмодели деталей, машин, установок, технологических процессов в виртуальном трехмерном мире инженерии, возникшем на основе современной CAD/CAM/CAE/PDM-системы. И не удивительно, что они изменяются на глазах, поскольку уже иначе воспринимают окружающее с непосредственным наблюдением, просмотром, а порой и пересмотром сделанного, т.е. предметно осмысливая его и давая свою оценку. Поэтому многое для них становится обоснованным и логичным, точным и значительным, а то, что когда-то было непонятным, – ныне таким простым и ясным! Почему? Да потому, что ин-те-рес-но! А интерес, который порождает любознательность, – первые шаги к пониманию и познанию.

1 1

Рис . 1 . Ко нце пт у а л ь на ямо де л ьпо дг о т о в к иинже не р о в вв ир т у а л ь ныхт е х но л о г ия х

1 2

Рис . 2 . Ко мпь ют е р на ямо де л ьиг р у шк и« Су л ыбк о йв о к р у гЗе мл и»

Рис . 3 . Ко мпь ют е р ныемо де л ис т у де нт о в пе р в о к у р с ник о в

13

Рис . 4 . Пр име р ыв ыпо л не ниял а бо р а т о р ныхр а бо тподис ципл ине « Ма шинос т р о ит е л ь ноек о мпь ют е р ноече р че ние »

1 4

Рис . 5 . Ко мпь ют е р ныемо де л ище к о в о йдр о бил к и

1 5

1 6

Рис .7 .Пр име р ы3 Dмо де л е ймно г о к а на т но йпо дъе мно йма шины МПМН5 x 4изба з ыда нныхк а фе др ы

17

Рис .8 . Ко мпь ют е р ные мо де л и, ис по л ь з у е мые пр и из у че нии г о р из о нт а л ь но г ол е нт о чно г ок о нв е йе р авв ир т у а л ь но йс р е де

Рис . 9 . Пр име р ыв из у а л из а циидис ципл ины « Со пр о т ив л е ниема т е р иа л о в »

1 8

Рис .1 0 .Ст у де нт ыме х а ник ик а фе др ы ГМИ де мо нс т р ир у ютс в о и пр ое к т ы

19

Рис .1 1 .Ко л л а ж на ос но в ер е з у л ь т а т о вк о мпл е к с но г о дипл о ма в ыпу с к ник о вк а фе др ыГМИ

2 0

Рис .1 2 .Ко л л а ж на у чно ис с л е до в а т е л ь с к их р а бо тв ыпу с к ник о в к а фе др ыГМИ

21

Рис .1 3 .Нафо т о :в ыпу с кг о р ныхинже не р о в ме х а ник о в2 0 0 6/2 0 0 7 у че бно г ог о да–в л а де л ь цыс е р т ифик а т о вSo l i d Wo r k sSp e c i a l i s t

2 2

Рис .1 4 .Пр ое к т So l i d Wo r k s дл яу че бных з а в е де ний Ук р а ины пр е з е нт у е тJ o eWi l k i e( So l i d Wo r k sCo r p o r a t i o n ,США) .Фр а г ме нтI V ме жду на р о дно йна у чно ме т о диче с к о йк о нфе р е нции « Инно в а цио нныет е х но л о г ииSo l i d Wo r k sвв ыс ше мо бр а з о в а нии, на у к еипр о мышл е ннос т и»(1 9–2 1ма р т а2 0 0 8г . )

Рис . 1 5 . Св е р шил ос ь !Во то н–До г о в о р !Вк а др а х–мо ме нт т о р же с т в е нно йце р е мо нииз а к л юче нияДо г о в о р аос о т р у дниче с т в е ме ждуНГУиSo l i d Wo r k sCo r p o r a t i o n( США) . По ддо к у ме нт о м с т а в я тпо дпис и:о тНГУ–р е к т о р Ге нна дийПив ня к , о тSo l i d Wo r k sCo r p o r a t i o n–J o eWi l k i e ( Ed u c a t i o nBu s i n e s sMa n a g e r , Eu r o p e )

23

Студенты не просто образно изучают науку инженерию, которая всякий раз открывается перед ними всеми своими неожиданностями и загадками, но и углубляются в ее суть, устанавливают двухассоциативную связь между виртуальными образами и абстракциями. Из года в год, приобретая опыт и обогащаясь новыми знаниями, они начинают самостоятельно творить, получая настоящее наслаждение. В этом – еще одно доказательство того, что на творческом и эмоциональном подъеме, с максимальной долей образного мышления [2] знания возрастают и крепнут намного быстрее, чем когда их просто навязывать. И в данном случае не только о знаниях. От всего увиденного в виртуальных технологиях, услышанного на лекциях и, главное, от сделанного собственными руками у молодежи формируется абсолютно новое осмысление инженерии. Так наши ряды пополняют неисправимые фанатики, энтузиасты и единомышленники, безгранично влюбленные в свое дело, которому решили посвятить жизнь. Поэтому на кафедре ГМИ немало бывших студентов. Концепцию подготовки инженеров наглядно изображено на рис. 1. Круг в центре символизирует компьютерную среду, т.е. программное обеспечение для реализации виртуального мира инженерии специальности, с базой данных 3D-моделей деталей, механизмов, машин. Дисциплины инженерного профиля здесь распределены по курсам обучения в секторах, а в сегментах разбиты на группы: 1) компьютерные технологии изучают; 2) применяют для изучения; 3) их применение планируют или же 4) вообще не планируют. Поэтапное введение Концепции подготовки инженеров предусматривает: • Обоснование, выбор и создание компьютерной среды. • Обучение компьютерным технологиям преподавателей и студентов. • Перманентную визуализацию дисциплин инженерного профиля с наполнением базы данных 3D-моделями. • Изучение дисциплин инженерного профиля в виртуальной среде. Выбор компьютерной среды. При выборе программного продукта следует ориентироваться на технические возможности программного комплекса,

24

опыт его использования в производстве, а также на то, чтобы, овладев этим комплексом, выпускники НГУ оказались востребованными как специалисты то ли на производстве или в науке, то ли в сфере современных прикладных информационных технологий. Кафедра ГМИ готовит будущих проектировщиков горного оборудования. В основе проектирования– процесс детализации формы изделия по мере «созревания» замысла проектировщика [9]. Прежде этот процесс опирался на методы начертательной геометрии, т.е. на тот раздел геометрии, в котором пространственные фигуры изучались с использованием метода построения их изображений на плоскостях проекций. (Как выяснилось, именно мысленное представление формы и положения в пространстве проектируемого объекта по плоским чертежам оказались для студентов наибольшим затруднением!). С рождением систем геометрического моделирования появились средства манипуляции непосредственно формами трехмерной визуальной 3Dмодели проектированного изделия, формированные в автоматическом режиме самой программой, итак, плоские чертежи уже становятся не частью процесса проектирования, а его конечным результатом. С тех пор наш студент и начал творить, импровизировать, создавая трехмерный образ изделия подобно ребенку, который лепит фигурку из пластилина. Переход от трехмерных моделей к чертежам теперь происходит в полном соответствии с законом теории познания: от чувственного, образного восприятия трехмерной виртуальной реальности – к идеализированной абстракции (чертежа). Научившись устанавливать двухассоциативную связь «модель–чертеж», студент открыл для себя смысл и значение двухмерных чертежей. В процессе проектирования машин неизбежно приходится выполнять те или иные расчеты (кинематического и силового анализа), определять напряженно-деформированное состояние машины и др. стало быть, без интегрированной CAD/CAM/CAE/PDM-системы никак не обойтись! Опираясь на опыт использования в производстве передовых достижений машиностроительных

предприятий,

таких

как

ЗАО «НКМЗ»,

25

ОАО «Запорожсталь», ОАО «Мотор Січ», выбор кафедры (для компьютерного моделирования) остановился на новейшем программном комплексе с большим будущим – SolidWorks Education Edition (SWEE) – разработку корпорации SolidWorks (США) [10]. Все модули учебного программного комплекса

SWEE

(SolidWorks,

COSMOSWorks,

COSMOSMotion,

COSMOSFloWorks, Toolbox, FeatureWorks, Animator, PhotoWorks, eDrawings Professional, 3D-Instant Website) соответствуют лицензиям, которые поступают на промышленные предприятия. Функционируя в интегрированном режиме, такие модули построены по принципу единой информационной модели, благодаря чему на базе отдельной кафедры (в этом случае – ГМИ) или же университета в целом можно создать виртуальный прообраз современного предприятия с применением CALS-технологий. В числе трудовых и научных достижений кафедры ГМИ – многозначительная награда: сетевая версия комплекса SWEE на 30 рабочих мест в рамках программы содействия высшей школе "SWR-Академия" как победителю конкурса, проведенного компанией SolidWorks Russia среди государственных учебных заведений [11]. Коротко охарактеризуем состав и назначение модулей программного комплекса SWEE. • Модуль SolidWorks – мощная система автоматизированного проектирования, инженерного анализа и подготовки к изготовлению изделий любой сложности и назначения, ядро интегрированного комплекса автоматизации предприятия, с помощью которого поддерживается жизненный цикл изделия, включая двусторонний обмен данными с другими Windows-приложениями. В SolidWorks – очень удобный, интуитивно понятный разноцветный интерфейс, который дает возможность «творить» виртуальные модели без особых усилий. Символический случай: во время проведения профориентационной работы среди желающих поступить в университет одной абитуриентке, которая усомнилась в правильном выборе специальности «Горные машины», предложили построить компьютерную модель игрушки (рис. 2) средствами SolidWorks. Вчерашняя школьница, которая за 10 минут выполнила трехмер-

26

ную модель под руководством преподавателя, не смогла сдержать волнения и радости: «У меня вышло!..». Отныне, ее будущее решено, а мы получили еще одну родственную душу! • Модули COSMOSWorks, COSMOSMotion, COSMOSFloWorks – современный инструмент инженерного компьютерного анализа сложных нелинейных многопараметрических объектов, изучать которые традиционными методами классической математической физики непросто, а то и вообще невозможно. Теперь студенты-механики, аспиранты и докторанты кафедры ГМИ, которые далеко не профессионалы-математики или программисты, при исследовании горных машин смогут пользоваться методами вычислительной механики – разновидностями компьютерного моделирования. И самим разрабатывать сложные математические модели, вычислительные алгоритмы и пакеты прикладных программ молодым ученым больше не придется. Их задача в другом – научиться применять модули инженерного анализа, грамотно планировать вычислительный эксперимент, интерполировать, анализировать результаты. • Назначение остальных модулей: Toolbox – библиотека стандартных изделий; FeatureWorks – распознавание импортированной геометрии; 3DInstant Website – создание интерактивных 3D-моделей для публикации в сети Интернет; eDrawings Professional – просмотр и согласование документов; PhotoWorks – подготовка фотореалистических растровых изображений по 3D-моделям с учетом текстур и освещения; Animator – изготовление мультипликации на основе 3D-моделей. Обучение компьютерным технологиям. Первый курс – проникновение в виртуальный трехмерный мир инженерии. На изучение информатики выделяется 189 ч, что для первокурсников составляет 8 % учебного времени, предусмотренного на овладение инженерными дисциплинами. В интерактивных учебных пособиях студенты знакомятся с основами моделирования в SolidWorks и, набираясь в процессе обучения опыта, выполняют модели и чертежи простых машиностроительных изделий с акцентом на будущее –

27

создавать утонченные трехмерные моделеи. Влияя на эмоции, все это побуждает к моделированию как к оригинальному искусству, вызывая живой неугасаемый интерес. Такие модели – на рис. 3: инструментов, компьютерной техники,

ландшафтного

дизайна,

предметов

быта.

Кроме

системы

SolidWorks, в курсе «Информатика» изучают компьютерные технологии MS Office, математический пакет Mathcad и др. Второй курс. Знание всех тонкостей дисциплины «Машиностроительное компьютерное черчение» (81 ч; 3,3 %) дает студентам, с одной стороны, возможность углубленно овладеть компьютерными технологиями, а с другой – способствует наладке в их сознании тесных связей между представлением (образом) о проектированном изделии, технологией его изготовления и чертежом. Машиностроительные чертежи – средство передачи технической мысли конструктора с информацией об условиях эксплуатации и тонкостях изготовления изделия. А поскольку машиностроительное черчение преподается на первых курсах, когда о технологии машиностроения студентам еще ничего не известно, выполнять такие чертежи довольно сложно. Ведь правильно проставить размеры, четко установить предельные отклонения, вид термообработки, значения параметров шероховатости поверхностей – все это требует знания основ машиностроения. Значит, машиностроительное черчение следует излагать, опираясь на основы машиностроения [12, 13]. И чтобы это было наглядно, образно и доступно каждому, – нужна именно она, визуализация. Например: при получении задания выполнить чертеж ступенчатого вала свободной ковки студентам предлагают компьютерные модели ковочного пресса, типовых поковок, чертежей готового изделия с поковками (рис. 4). Освоив принцип работы ковочного пресса, сравнив компьютерные модели с чертежами готового изделия, студенты переходят к осмыслению понятий «напуск», «припуск», вникают в правила оформления чертежей и только после этого принимаются за выполнение индивидуального задания. Аналогично овладевают технологией изготовления, правилами оформления чертежей

28

изделий, полученных на токарных (рис. 4), строгальных, фрезерных, сверлильных станках, и другими типовыми операциями. В курсе «Твердотельное компьютерное конструирование» (135 ч; 5,7 %) изучают технологии параметрического конструирования, которые дают возможность (при необходимости) легко изменять форму модели, вследствие чего пользователь быстро получит альтернативные конструкции [14]. Третий курс. Следуя учебной программе «Основы компьютерного проектирования и дизайна горных машин» (324 ч; 13,6 %) и «Методы моделирования при проектировании горного оборудования» (297 ч; 12,4 %) усваивают параллельно в течение всего курса. Цель дисциплины «Основы компьютерного проектирования и дизайна горных машин» – овладеть теорией, приобрести устойчивые навыки и умения в использовании компьютерных технологий (при проектировании горного оборудования), включая геометрическое моделирование, компьютерный анализ, разработку технической документации и создание презентационных материалов на примере выполнения проекта щековой дробилки с простым движением щеки [15]. Изучаются также приведенные далее компьютерные технологии программного комплекса SWEE: при первоначальном ознакомлении с конструкциями деталей, узлов и дробилки в целом – их компьютерные модели в формате программы eDrawings Professional; при геометрическом моделировании, создании проектно-конструкторской документации, подготовке

презентационных

материалов

–

технологии

программы

SolidWorks; во время прочностного анализа, оптимизации деталей – технологии программы COSMOSWorks; при осмыслении и проектировании стандартных изделий – технологии программы Toolbox; при создании фотореалистических изображений дробилки – технологии программы PhotoWorks. На протяжении двух семестров (девять лабораторных работ) студенты проектируют под руководством преподавателя щековую дробилку в нижеизложенной последовательности. Прежде всего, знакомятся с известными конструкциями и принципами их работы, после чего выполняют анализ и синтез

29

механизма (для своего варианта), обосновывают параметры и моделируют все узлы и детали (особое внимание – компьютерному анализу напряженнодеформированного состояния узлов дробилки), дальше оптимизируют узлы, разрабатывают техническую документацию неподвижной и подвижной щек, шатуна, упорного узла, боковин станины, привода и в конце готовят презентационные материалы. На рис. 5 – компьютерные модели из числа выполненных лабораторных работ. Неоценимая роль дисциплины «Методы моделирования при проектировании горных машин» – в глубоком изучении специализированных приложений для проектирования типовых элементов конструкций и моделирования динамических систем в среде SolidWorks. На примере разработки механической

передачи

[16, 17]

студентов

знакомят

с

технологиями

COSMOSWorks, COSMOSMotion, SolidWorks API – инструментом для создания новых приложений автоматизированного построения машин. К процессу изучения дисциплин «Концептуальный анализ технических объектов» (135 ч; 6 %) и «Компьютерные технологии проектирования горного оборудования» (135 ч; 6 %) подключены компьютерные технологии новых версий комплекса SWEE. Их освоение происходит во время выполнения студентом индивидуального проекта (на лабораторных занятиях). Перманентный перевод дисциплин инженерного профиля на виртуальные технологии, наполнение базы данных 3D-моделями. Перевод на виртуальные технологии подразумевает создание комплексной базы данных компьютерных моделей. На кафедре ГМИ базу данных расширяют за счет выполненных домашних заданий, лабораторных работ, курсовых и дипломных проектов на основе комплекса SWEE в пределах дисциплин «Концептуальный анализ технических объектов», «Компьютерное проектирование горного оборудования», «Горные машины и комплексы», САПР и др. Новые модели помещают в базу данных виртуальной среды после соответствующей переработки, а потом с помощью полученного материала формируют цикл лабораторных работ, и лекционный курс. При усвоении дисциплин инженерного

30

профиля студенты пользуются соответствующими моделями в формате программы eDrawings Professional. Примеры из этой серии приведены на рис. 6, 7. Изучение дисциплин инженерного профиля в виртуальной среде. В работе [19] проиллюстрирован процесс обучения в виртуальной среде на примере дисциплины «Проектирование транспортных машин и комплексов». Объект изучения – горизонтальный ленточный конвейер (рис. 8). Студенты пользуются параметрической компьютерной моделью этого конвейера с несколькими управляющими параметрами. Во время выполнения лабораторных работ они овладевают его конструкцией, а также рассчитывают параметры, проектируют параметрическую твердотельную модель по новым значениям, изготовляют рабочие чертежи своего варианта. Если учебное время, отведенное на овладение инженерными дисциплинами, взять 100 %-ым, то в виртуальных технологиях на кафедре ГМИ оно ныне составляет, %: 9 – на первом курсе, 7 – на втором, 25 – на третьем, 28 – на четвертом и 45 – на пятом. В ближайшее время кафедра ГМИ планирует: 9 сократить раздел по начертательной геометрии в учебном плане дисциплины «Начертательная геометрия, инженерная и компьютерная графика» до шести часов и при изучении моделирования кривых поверхностей пользоваться средствами SolidWorks, как рекомендуют специалисты кафедры инженерной графики ВВИА им. Н.Е. Жуковского [20]. Правила оформления машиностроительных чертежей с применением физических или трехмерных моделей SolidWorks усваивать в других разделах указанной дисциплины; 9 перевести дисциплины «Теория механизмов и машин», «Детали машин» на 100 %-ное использование ЗD-моделей; 9 визуализировать дисциплины «Сопротивление материалов» и «Теоретическая механика», что сделает их более простыми, понятными, доступными каждому студенту (рис. 9); 9 продолжить перевод инженерных дисциплин, которые читаются на кафедре ГМИ, на 100 %-ное использование ЗD-моделей.

31

Выводы, рекомендации, достижения: 1. Практическая педагогика и современная психология акцентируют наше внимание на следующем: при изучении дисциплин инженерного цикла наблюдается несовместимость упроченной логики развертывания предметного содержания с возрастной динамикой образного мышления недавних школьников. В традиционных методах обучения поток новых абстрактных образов вынуждает сознание студента выстраивать между услышанным и воспринятым умом своеобразный защитный барьер, поскольку из материала лекции не все понятно. Поэтому сначала теряется интерес к конкретному предмету, а со временем – и к специальности. 2. Целью изучения инженерных дисциплин должны быть не абстракции, используемые при описании, а образы для их понимания, сосредоточение на сути. Благодаря современным интегрированным системам геометрического моделирования и анализа, таким как SolidWorks Education Edition, можно не только легко создавать виртуальные образы машин, механизмов, установок, технологических процессов, но и исследовать их поведение с помощью современных инструментов инженерного компьютерного анализа – виртуальный мир инженерии специальности безграничный! 3. Концепция подготовки инженеров – дальнейшее развитие идей проф. Юрина В.Н. (МАТИ), предполагает поэтапную визуализацию дисциплин инженерного цикла, создание системы виртуальных образов для их восприятия и беспрерывное обучение студентов в трехмерном мире инженерии специальности с использованием базовой CAD/CAM/CAE/PDM-системы. Как доказано теоретически и практически, погружение в виртуальный мир инженерии – действительно эффективный учебный инструмент. Изучение всего объема инженерии происходит в полном соответствии с законом теории познания: от чувственного, образного восприятия трехмерной виртуальной реальности – к идеализированной абстракции (чертежей, физических величин, определений, формул, уравнений). Едва лишь студенты научатся творчески устанавливать двухассоциативную связь между виртуальными об-

32

разами и абстракциями, как перед ними открываются смысл и назначение этих абстракций. Обогащаясь новейшими знаниями, они уже мыслят категориями сегодняшнего дня, с радостью открывая в себе неведанные ранее качества: уверенность в своих силах, активность, положительные эмоции, интерес к восприятию информации, понимание величия инженерных дисциплин. 4. Концепция подготовки инженеров многократно испытаны, поскольку она поэтапно внедряется в учебный процесс кафедры ГМИ с 2004 г., а результат этого внедрения – сотни больших и малых студенческих проектов, которые наполняют базу данных компьютерными моделями и расширяют возможности виртуальной среды (рис. 10 – 12). Лишь в 2006 / 2007 учебном году состоялся выпуск горных инженеров-механиков (около 60), которые стали владельцами сертификатов SolidWorks Specialist, чем подтверждена квалификация инженера в области компьютерных технологий SolidWorks (рис. 13). В ежегодном конкурсе проектов SWR-AWARD (г. Москва), выполненных с использованием САПР SolidWorks передовыми промышленными предприятиями и вузами Украины, России, снова выделился Национальный горный: научные труды сотрудников кафедры ГМИ заняли первые места в номинациях «Методическая работа» (2005) и «Научно-исследовательская работа» (2006). Концепция подготовки инженеров апробирована на международных научно-методических конференциях «Инновационные технологии SolidWorks в высшем образовании, науке и промышленности» (рис. 14), которые происходят в НГУ с 2005 г. С учетом положительного опыта вуза и в частности кафедры ГМИ Министерство образования и науки Украины рекомендует отечественным высшим учебным заведениям использовать программный комплекс SolidWorks Education Edition при изучении дисциплин предынженерной, инженерной, дизайнерской подготовки и черчения. Кафедра ГМИ получила статус: Авторизованного провайдера CSWA, Авторизованного учебного центра SolidWorks Russia [21], Учебного центра по технологиям САD/САМ/САЕ/РDМ и САLS (последний создан согласно приказу министра образования и науки Украины № 135 от 27.02.2006). Большинство пре-

33

подавателей

кафедры

сертифицированы

как

специалисты

компанией

SolidWorks Corporation (по программе CSWA) и компанией SolidWorks Russia. Согласно Договору о сотрудничестве между Национальным горным университетом и SolidWorks Corporation (США) от 20 марта нынешнего года (рис. 15) Учебный центр по технологиям САD/САМ/САЕ/РDМ и САLS утвержден в статусе Учебного и методического центра инновационных технологий SolidWorks в вузах, средних школах и на предприятиях Украины.

34

Список литературы 1. Европа

завлекает

нужных

мигрантов

«синей

картой»

//

http://www.svobodanews.ru/Article/2007/10/24/2007 1024174227540.html. 2. Возрастные и индивидуальные особенности образного мышления учащихся / Под ред. И.С. Якиманской. – М.: Педагогика, 1989. – 223 с. 3. Евгений

Синицын.

Теория

творчества.

Структурный

анализ

мышления. Теория интегрированного обучения // http://www.s-genius.ru/ pedagogika/teoria_tvorchestva.htm. 4. Продукты и решения на базе технологии виртуальной реальности // Virtual Environment Group // http://www.ve-group.ru/. 5. Каманин Л.Н. Об одном педагогическом эксперименте в преподавании

начертательной

геометрии

и

инженерной

графики

//

http://www.astronaut.ru/bookcase/article/ar134.htm. 6. Юрин В.Н. Компьютерный инжиниринг и инженерное образование. – М.: Эдиториал УРСС, 2002. – 152 с. 7. Особенности подготовки специалистов на основе профессиональных САПР – SolidWorks // Материалы науч.-практич. семинара. – Д., 2005. – 13 с. // http://www.solidworks.ru/downloads/news/Seminar_Dnepropetrovsk.pdf. 8. Методика использования пакета SolidWorks Education в процессе подготовки

инженеров-механиков / А.Л. Жупиев,

Т.В. Безпалько,

С.Н. Зиновьев // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2005. – № 11. – С. 26 – 31. 9. Кунву Ли. Основы САПР CAD/CAM/CAE. – С.Пб.: Питер, 2004. – 560 с. 10. Состав и назначение программного комплекса учебного процесса SolidWorks

Education

Edition

//

Компания

SolidWorks

Russia.

http://www.solidworks.ru/swr-academy/. 11. Первые пять вузов получили гранты SolidWorks Russia и прошли обучение // Компания

SolidWorks

Russia //

print.php?sfor=news/news_archive/2004/2004_10/.

http://www.solidworks.ru/

35

12. Кузьменко В.И., Ройтман И.А. Основы машиностроения в черчении. – М.: Просвещение, 1977. – 207 с. 13. Михайленко В.Е., Ванин В.В., Ковалев С.Н. Инженерная и компьютерная графика: Учебник для студентов высших учебных заведений. – К.: Каравелла, 2004. – 336 с. 14. Дударева Н.Ю.,

Загайко

С.А.

SolidWorks-2007.

–

С.Пб.: БХВ-

Петербург, 2007. – 1328 с. 15. Методика проведения лабораторных работ по курсу «Основы компьютерного проектирования горного оборудования» на примере щековой дробилки / К.С. Заболотный, А.А. Титов, А.Л. Жупиев // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2005. – № 11. – С. 18 – 22. 16. Методика обучения инженеров-механиков конечноэлементному анализу / К.С. Заболотный, М.В. Полушина, А.Л. Жупиев, С.Н. Зиновьев, Т.В. Безпалько // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2005. – № 11. – С. 34 – 39. 17. Методика подготовки инженеров-механиков по специализации «Информационные технологии проектирования» специальности «Горное оборудование» / В.П. Франчук, К.С. Заболотный, Е.И. Терещенко и др. // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2005. – № 11. – С. 46 – 58. 18. Алямовский А.А. SolidWorks-2007. Компьютерное моделирование в инженерной практике. – С.Пб.: БХВ-Петербург, 2007. – 1040 с. 19. Методика обучения конструированию на основе 3D-моделей / В.П. Франчук, К.С. Заболотный, А.Л. Жупиев, С.Н. Зиновьев // Науч. тр. МАТИ. – 2007. – Вып. 12(84). – С. 342 – 350. 20. Каманин Л.Н. Моделирование кривых поверхностей: Экранное пособие

по

начертательной

геометрии

и

инженерной

графике

//

http://www.astronaut.ru/bookcase/books/kamanin_ln/kamanin.htm. 21. Список Авторизованных учебных центров (АУЦ) России и Украины //

Компания

SolidWorks

academy/AUC_spisok/.

Russia

//

http://www.solidworks.ru/swr-

36

Учебное издание Пивняк Геннадий Григорьевич Франчук Всеволод Петрович Заболотный Константин Сергеевич Панченко Елена Владимировна

КОНЦЕПЦИЯ ПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРОВ В ВИРТУАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ SolidWorks (Учебно-методическое пособие. Электронное издание)

Редактор С.С. Графская

Национальный горный университет 49005, Украина, г. Днепропетровск, просп. К. Маркса, 19. Тел. +38 (050) 340-02-01, +38 (056) 740 34 49, +38 (0562) 47 45 53 E-mail: [email protected], [email protected]