УДК 378.168:004.896

СОВРЕМЕННЫЕ САПР КАК МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ БАКАЛАВРОВ ПО ИНЖЕНЕРНЫМ НАПРАВЛЕНИЯМ ПОДГОТОВКИ

Штерензон Вера Анатольевна1, Сажаев Александр Викторович2
1ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессионально-педагогический университет», Институт инженерно-педагогического образования г. Екатеринбург, доцент, кандидат технических наук
2ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессионально-педагогический университет», Институт инженерно-педагогического образования г. Екатеринбург, студент

Аннотация
Анализ материалов различных конференций и форумов по применению информационных технологий в образовании свидетельствует о том, что сегодня в мировой и российской педагогической практике отмечается тенденция к расширению функциональности и сложности компьютерных обучающих систем. Этот процесс сопровождается повышением трудоемкости и стоимости их создания. Особенно это проявляется при создании компьютерных систем для обучения по общетехническим дисциплинам и дисциплинам профилизации, в которых особая роль в формировании знаний и навыков отводится наглядно-визуальным способам представления информации. В статье рассматриваются мультимедийные возможности современных промышленных систем автоматизированного проектирования для динамической визуализации технических систем и технологических процессов при их изучении.

Ключевые слова: визуализация, качество обучения, компьютерная обучающая система, мультимедиа, САПР


MODERN CAD/CAM-SYSTEMS AS MULTIMEDIA LEARNING INSTRUMENTS FOR BACHELOR’S ENGINEERING TRAINING

Shterenzon Vera Anatolievna1, Sazhaev Aleksandr Viktorovich2
1Russian State Vocational Pedagogical University, Institute of Engineering and Pedagogical Education, Ekaterinburg, Ph.D., associate professor
2Russian State Vocational Pedagogical University, Institute of Engineering and Pedagogical Education, Ekaterinburg, student

Abstract
Conferences’s and forums’s reports about computer training technologies show a tendency to expand functionality and complexity of the computer-based training systems. This process is accompanied by increasing complexity and cost of creating systems. This is impotent in creating computer-based training systems for engineering training. Impotent role in this systems is given to visual methods of information presenting. This article discusses the multimedia capabilities of modern industrial CAD/CAE/CAPP/CAM systems for dynamic visualization of technical systems and processes during their study.

Keywords: CAD-systems, CAD-системы, CAE-systems, CAE-системы, CAM-systems, CAM-системы, CAPP-systems, CAPP-системы, computer training system, multimedia, training quality, visualization


Рубрика: 13.00.00 ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Штерензон В.А., Сажаев А.В. Современные САПР как мультимедийные средства обучения бакалавров по инженерным направлениям подготовки // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 8. Ч. 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/08/57367 (дата обращения: 02.10.2017).

Введение

Современное промышленное производство характеризуется высоким уровнем автоматизации поддержки принятия решений, широкой и постоянно меняющейся номенклатурой выпускаемой продукции, мелкосерийным типом производства и высокими требованиями к качеству конечного результата. Чтобы быть конкурентоспособным, сегодня производство должно быть эффективным, гибким, высокотехнологичным. Применение систем и технологий сквозного (комплексного) автоматизированного проектирования, производства и управления в промышленных процессах убедительно показывает их эффективность в  достижении качественного результата в сжатые сроки с оптимальными ресурсными затратами.

В условиях перехода к информационной экономике современное профессиональное образование всё больше приобретает черты современного промышленного производства: широкая и часто меняющаяся номенклатура основных и дополнительных образовательных программ, небольшая численность групп обучающихся, высокие требования к профессиональным компетенциям выпускников, компьютеризация обучения и управления образовательным процессом. Компьютерное обучение (E-learning),к  которому современный студент сегодня достаточно легко адаптируется, всё более активно преобразует  российское образовательное пространство, формируя основу для реализации новой образовательной парадигмы – «Образование через всю жизнь». E-learning сегодня – это обязательный этап для перехода к Smart Education, которое во многих странах стало стандартом де факто и основой Smart-экономики [1]. Сегодня многие преподаватели инженерных дисциплин ощущают нарастающий разрыв (противоречие) между уровнем организации, IT-обеспечения  и осуществления производственных и бизнес-процессов в промышленных компаниях и IT-обеспечением процесса обучения по фундаментальным дисциплинам профиля подготовки. Чтобы соответствовать требованиям современности,  профессиональное образование (особенно техническое) должно обрести черты непрерывного, быстро «переналаживаемого», гибкого, открытого, автоматизированного «производства». Уже многие преподаватели убедились, что применение автоматизированных средств и технологий в образовании также позволяет качественно изменить содержание, методы и организационные формы обучения, способствует раскрытию индивидуальных способностей студентов, повышает мотивацию и интерес к изучаемым знаниям.

Как уже было сказано выше, создание автоматизированных (компьютерных) обучающих систем по техническим дисциплинам, визуализирующих в достаточной мере объект изучения, представляет собой очень сложную программную, дидактическую, методическую задачи с достаточно высокими сроками и стоимостью создания. Это является причиной того, что до сих пор обучение по техническим дисциплинам может осуществляться на основе традиционных наглядно-иллюстративных методов и средств обучения. Вместе с тем уже есть информационные системы, в которых задача программной (мультимедийной) реализации динамической визуализации технических систем и технологических процессов уже решена. Это системы автоматизированного проектирования (САПР). Безусловно, изначально эти системы создавались не как обучающие системы. Но возможности манипулирования объектами в режиме реального времени, построение цифровых 3D моделей объектов от простых деталей до сложных машин, моделирование кинематических движений объектов и  различных видов их нагружения (динамическое, статическое, циклическое, термическое и др.)  делает возможным использовать САПР как мультимедийное дидактическое средство обучения. То есть САПР можно попытаться использовать как обучающую систему для «проведения» (демонстрации) компьютерного «эксперимента» над моделью реального объекта или процесса.

Как полагают авторы, актуальность данной работы определяется недостаточным пониманием преподавателями технических дисциплин дидактических возможностей  современных  САПР для обучения студентов по дисциплинам профилизации и, как следствие, отсутствием широкого применения мультимедийных возможностей САПР в учебном процессе (как в аудиторных занятиях, так и самостоятельной работе студента). Другими словами, сейчас в рамках общетехнических и специальных дисциплин по автоматизированному проектированию студентов на конкретных примерах учат тому, как работать в различных САПР, и, практически, мало учат тому, как использовать эти мощные информационные системы для получения новых знаний о технических объектах и технологических процессах при изучении инженерных дисциплин профилизации.

Компьютерные обучающие системы

Компьютерная обучающая система – это комплекс программно-аппаратных средств, электронных учебных, контрольных и методических материалов, которые обеспечивают взаимодействие преподавателей и обучаемых в процессе изучения дисциплины.

Основное назначение любой обучающей системы (в том числе и компьютерной) состоит в том, чтобы наиболее оптимально организовать процесс (желательно личностно-ориентированный и адаптивный) передачи обучаемому необходимых для формирования его профессиональной компетентности знаний, а также организовать эффективный (также личностно-ориентированный и адаптивный) процесс контроля в зависимости от степени подготовленности обучаемых и их способности усваивать полученную информацию. Достижения в области искусственного интеллекта позволяют сегодня перейти к созданию и использованию в профессиональном образовании экспертных обучающих систем [2] и кибер-преподавателей [3].

Как правило, все компьютерные обучающие системы применяют мультимедийные технологии обработки и отображения информации. По данным ЮНЕСКО при аудиовосприятии усваивается 12% информации, при визуальном около 25%, а при аудиовизуальном до 65% воспринимаемой информации [4]. Цель разработки и применения компьютерных обучающих систем (как любой автоматизированной  системы) – повышение качества обучения. Однако если индивидуальное отношение пользователя к компьютерным методам и средствам обучения или к конкретным программам равнодушное или отрицательное, то и эффективность обучающей программы резко снижается.

C точки зрения управления процессом обучения компьютерные обучающие системы можно разделить на две группы:

  • к группе 1 можно отнести обучающие системы, в которых «системой управления» процессом обучения является сам обучаемый. Такие системы, чаще всего, имеют иерархическую структуру, в них учебный материал излагается линейно, в соответствии с логикой дисциплины, а разделы и темы содержат вопросы или тесты текущего (тематического, рубежного и т.д.) контроля. Так как программно «система управления» процессом обучения отсутствует, то за качество усвоения учебного материала отвечает сам обучаемый, и переход к последующим темам может быть осуществлен вне зависимости от результатов усвоения предыдущим тем. К этой группе можно отнести гипертекстовые учебники и пособия, электронные энциклопедии, лекции-презентации, видео- и аудио лекции.
  • к группе 2 можно отнести те компьютерные обучающие системы, в которых программно встроена «система управления» процессом обучения. Такие системы, чаще всего, имеют сетевую структуру.  В конце каждого блока учебной информации обучаемому предоставляются проверочные компьютерные вопросы и задания. В отличие от систем первой группы, в данных системах ответы и действия обучаемого определяют дальнейшую траекторию его движения (обучения). Управление процессом обучения в компьютерных системах этой группы напрямую зависит от возможности адаптации системы под конкретного обучаемого. Обучающие системы данной группы бывают с линейной моделью обучения; с разветвленной моделью;  с адаптацией по форме изложения материала; с адаптацией по логике изложения материала; с адаптацией по объекту и целям обучения и др.

Как любые информационные системы компьютерные обучающие системы (КОС) имеют следующие виды обеспечения: техническое, программное и математическое, лингвистическое, информационное, методическое, организационное, правовое.

Техническое обеспечение КОС – это системно организованная совокупность технических средств (различные виды ЭВМ, сетевой оборудование, периферийные устройства), используемых для реализации процесса обучения и контроля в автоматизированном режиме без непосредственного взаимодействия преподавателя и обучаемого.

Программное обеспечение КОС – системно организованная совокупность общесистемных и прикладных программ, обеспечивающих автоматизированную реализацию процесса обучения и контроля результатов этого процесса.

Математическое обеспечение КОС – это системно организованная совокупность математических моделей и алгоритмов процессов обучения и контроля, формализованное описание технологии автоматизированного обучения и контроля.

Лингвистическое обеспечение КОС – системно организованная совокупность языков программирования, используемых в процессе разработки и эксплуатации  компьютерной обучающей системы для автоматизированного информационного обмена между обучаемым и системой.

Информационное обеспечение КОС – это системно организованная совокупность баз и банков данных, банков знаний, содержащих необходимую для обучения и контроля учебную, справочную и методическую информацию.

Методическое обеспечение КОС – это системно организованная совокупность документов (руководств), описывающих условия  эффективной и надёжной работы пользователей (преподавателей, методистов, администраторов, обучаемых) с обучающей системой.

Организационное обеспечение КОС -  это системно организованная совокупность административных документов, устанавливающих функции и права подразделений, взаимодействующих с обучающей системой.

Правовое обеспечение КОС – совокупность нормативно-правовых документов, определяющих создание, юридический статус и функционирование компьютерной обучающей системы, регламентирующих порядок получения, преобразования и использования учебной информации.

Особое место в компьютерных обучающих системах отводится графической визуализации учебного материала – схемы, анимированные модели, видеоролики. Это связано с тем, что, во-первых, визуальная информация, как было сказано выше, воспринимается лучше обычного текста или аудио информации (потому что является более “концентрированной”), а во-вторых, с тем, что всё увеличивающиеся объемы учебной информации в обычной текстовой форме просто “перегружают” мозг любого обучаемого и приводят к естественной защите – снижению и отключению внимания. Визуализация — это процесс представления данных в виде адекватного изображения с целью максимального удобства их понимания; придание зримой формы любому мыслимому объекту, субъекту, процессу и т. д.[5]. При визуализации учебного материала следует учитывать, что наглядные образы сокращают цепи словесных рассуждений и могут синтезировать схематичный образ большей «емкости», уплотняя тем самым информацию[5]. Особо серьёзное значение визуализация имеет в изучении технико-технологических дисциплин при моделировании различных технических систем, технологических процессов и процессов управления.

Системы автоматизированного проектирования

САПР – организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования [6, с.4]. Цель применения САПР – повышение качества проектирования изделий и процессов в условиях промышленного производства. САПР изначально создавались и создаются до сих пор для автоматизации различных видов инженерной деятельности, снижения трудоёмкости, себестоимости и цикла изготовления выпускаемого изделия.

Как любые информационные системы, САПР также имеют следующие виды обеспечения: техническое, программное и математическое, лингвистическое, информационное, методическое, организационное, правовое.

Техническое обеспечение САПР – комплекс технических средств, служащих для реализации автоматизированного проектирования: подготовка и ввод данных, передача данных, обработка и защита данных; хранение и запись данных; отображение данных и результатов проектирования.

Программное обеспечение САПР – совокупность общесистемных и прикладных программ, осуществляющих и обеспечивающих процесс автоматизированного проектирования изделий и технологических процессов в полном объёме.

Математическое обеспечение САПР – это математические модели объектов проектирования, математические методы и алгоритмы решений задач, связанных с проектированием, а также формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.

Информационное обеспечение САПР – это совокупность баз и банков данных, необходимых для автоматизированного проектирования изделий и технологических процессов (ГОСТы, обозначения, материалы и их свойства, оборудование и его технические характеристики, инструменты и технологическая оснастка, технологические режимы и т.д.).

Лингвистическое обеспечение – совокупность языков программирования, необходимых для реализации процесса автоматизированного проектирования.

Методическое обеспечение САПР – совокупность документов (справочные системы, обучающие видео ролики, руководства пользователей) , подробно описывающих действия различных категорий пользователей при работе в конкретной САПР.

Организационное обеспечение САПР – это совокупность руководящих документов, устанавливающих функции и права различных подразделений компании или предприятия, взаимодействующих с САПР.

Правовое обеспечение САПР – совокупность нормативно-правовых документов, устанавливающих юридический статус, разработку, передачу пользователям  и эксплуатацию САПР в рамках существующей законодательной системы.

Сегодня студенты машиностроительных специальностей технических вузов изучают следующие виды САПР:

  • CAD-системы (Computer Aided Design Systems) – информационные системы автоматизированного проектирования изделий (3D модели, чертежи, конструкторская документация).
  • CAE-системы (Computer Aided Engineering Systems) – информационные системы автоматизированных инженерных расчетов (прочность, деформации, вибрации и т.д.).
  • CAPP-системы (Computer Aided Process Planning Systems) – информационные системы автоматизированного проектирования технологических процессов изготовления изделий и подготовки технологической документации.
  • CAM-системы (Computer Manufacturing Systems) – информационные системы автоматизированного проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и подготовки программ для этих станков.

Работая в CAD-системе, студент создаёт цифровые макеты (3D модели) проектируемых деталей, которые, возможно, в натуральном исполнении ещё не видел в своей жизни и поэтому даже не представлял, как они выглядят. Современные CAD-системы позволяют манипулировать 3D моделью детали в режиме реального времени, проанализировать внешнюю форму детали, сделать простые, сложные или местные разрезы и увидеть внутренне строение детали.  Особенно эффективно создание цифрового макета (3D модели) сборочного узла. Сегодня при отсутствии достаточной довузовской технико-технологической подготовки (особенно в школах) многие студенты не представляют устройство даже самых простых и типовых деталей и механизмов машин, не говоря уже о какой-то специальной технике. При создании и анализе компьютерной 3D модели сборочного узла студент лучше, чем на обычном плакате, понимает место и назначение каждой детали в сборке, её взаимодействие с другими деталями. А наличие в CAD-системах встроенных модулей анимации позволяет смоделировать и лучше понять работу спроектированных (но ещё несуществующих) деталей и  узлов. С помощью анимации можно анализировать поведение кинематических механизмов и взаиморасположение деталей сборочных конструкций. Поэтому преподаватели общетехнических и профильных дисциплин, в которых изучаются детали машин, основы проектирования и конструирования, технологическое оборудование и оснастка и др., должны обязательно иметь навыки работы в современных CAD-системах  для создания, объяснения и визуализации учебного материала по своим дисциплинам.

Работая в CAE-системе, студент лучше изучает расчётные методы (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объёмов) решения инженерных задач, а динамическая визуализация результатов расчетов позволяет оценить, как «поведёт себя» компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации (нагружение, нагревание, вибрации), помогают убедиться в работоспособности изделия. Возможность перемещения и вращения модели детали на экране монитора ПК позволяет визуализировать и проанализировать будущее эксплуатационное состояние изделия более подробно. Традиционные области анализа включают в себя: анализ напряжений в деталях и сборках методом конечных элементов, анализ тепловых и жидкостных потоков методами вычислительной гидрогазодинамики, анализ кинематики механизмов, моделирование динамических механических взаимодействий, моделирование производственных операций (литье, прессование и проч.). Потому преподаватели общетехнических и профильных дисциплин, в которых изучаются теоретическая механика, сопротивление материалов, детали машин, работоспособность технологических систем и т.д., должны обязательно иметь навыки работы в современных CAE-системах  для создания, объяснения и визуализации учебного материала по своим дисциплинам.

Работая в CAPP-системе, студент создает модель технологического процесса изготовления изделия для производственных условий конкретного предприятия. Современные CAPP-системы имеют библиотеки оборудования, инструмента и оснастки (технические характеристики, фотографии, цифровые макеты, видеоролики). Выбирая станок, инструмент, оснастку студент визуально лучше представляет производственное технологическое оснащение, что способствует закреплению теоретических знаний по специальным дисциплинам. Для работы в CAPP-системе студент должен уметь работать в CAD-системах, так как цифровые макеты (3D модели) деталей машин помогают студенту лучше понять технологию изготовления этих деталей.

Работая в CAM-системе, студент создаёт модель процесса обработки изделия на станках с ЧПУ. Анимация компьютерных геометрических моделей обрабатываемой детали и инструмента позволяет студенту визуализировать и лучше понять перемещения инструмента в процессе обработки, смоделировать возможные столкновения инструмента и механизмов рабочей зоны станка с ЧПУ,  проанализировать свои технологические решения и достаточно быстро получить управляющую программу для конкретных стоек систем ЧПУ.

Следовательно, преподаватели технологических дисциплин должны обязательно иметь навыки работы в CAD/CAPP/CAM-системах для создания, объяснения и визуализации учебного материала по своим дисциплинам.

Заключение

Сегодня наибольший интерес в образовательном процессе представляют проблемно ориентированные программные комплексы, которые могут использоваться как инструмент формирования проектного решения. Как было показано выше, системы автоматизированного проектирования имеют аналогичную структуру, мощные средства динамической визуализации, как компьютерные обучающие системы. Во всех современных САПР есть встроенная, достаточно объемная, справочная система, а во многих – встроенные «азбуки» проектирования. В САПР автоматизированное проектирование выступает как инструмент закрепления старых и получения новых знаний по дисциплинам специализации (профилизации), а динамически визуализированные объекты проектирования сродни визуализированным объектам учебного материала в компьютерных обучающих системах. Таким образом, можно сказать, что современные системы автоматизированного проектирования в определенной мере выполняют функции компьютерных обучающих систем, за исключением функции автоматизированного контроля полученных знаний и навыков.


Библиографический список
  1. Тихомиров В.П. Мир на пути Smart Education // Открытое образование.2011. Специальный выпуск «Smart-технологии в образовании. с.4-10.
  2. Штерензон В.А., Герасименко А.Ю. К вопросу об экспертных обучающих системах //  Материалы VII Межд.науч.-практ.конф. «Новые информационные технологии в образовании», Екатеринбург 11-14 марта 2014 г. –  Екатеринбург: ФГАОУ ВПО РГППУ. 2014. с.213-216.
  3. Штерензон В.А., Кирин Я.В., Клюев И.Е. Профессиональное образование: что день грядущий нам готовит // Социум и экономика. 2014, №3(12) [Электронный ресурс] URL:http://iupr.ru/domains_data/files/zurnal_12_2014/Shterenzon%20Sovremennye%20nauki%20i%20obrazovanie.pdf  (дата обращения 20.08.15 г.).
  4. Эшназарова М. Ю. Применение электронных учебников в учебном процессе [Текст] / Молодой ученый. 2013, №9. с. 433-434.Трухан И.А., Трухан Д.А. Визуализация учебной информации в обучении математике, ее значение и роль // Успехи современного естествознания 2013 №10  [Электронный ресурс] URL: http://www.rae.ru/use/?section=content&op=show_article&article_id=10002174 (дата обращения 20.08.15 г.).
  5. САПР. Основные положения. ГОСТ 23.501.101-87.  М.: Гос.Ком.СССР по стандартам, 1987. 25 с. Дата последнего изменения 2010 г.


Все статьи автора «Штерензон Вера Анатольевна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: