Современное производство любой отрасли является высокотехнологичной сферой деятельности. Применение систем автоматизированного проектирования анализа и производства (CAD, CAE, CAM) в этих отраслях давно считается нормой и условием высокого качества результатов. Поэтому улучшение подготовки специалистов в областях владения такими системами является прямым ответом на потребности современного производства.
Среди перечисленных систем – CAD, CAE, CAM – основными являются CAD-системы, системы автоматизированного проектирования. С помощью них создают 3Д модели, которые в дальнейшем используют в системах инженерного анализа и производства (CAE, CAM), а также весь комплекс документации необходимой для реализации производства любого изделия. Таким образом, свободное владение CAD-системами является неотъемлемой составляющей программы подготовки современного инженера.
В то же самое время сфера проектирования и производства не всегда предполагает создание принципиально нового изделия. Очень часто задача состоит в изучении существующих аналогов и прототипов, поиска слабых мест их конструкций и модернизации. В этом случае анализу может подвергаться не только патентная литература, конструкторская или технологическая документация, но и готовый, функционирующий объект. Эта область деятельности современного инженера получила название обратная разработка или реверс-инжиниринг и требует развитых и неординарных знаний и умений. Поэтому, ставя задачу подготовки инженера, отвечающего потребностям современного производства, необходимо уделять внимание не только освоению им высокотехнологичных методов проектирования и производства, но вопросам развития самого инженера как неотъемлемой составляющей сферы производства.
В процессе подготовки современных инженерных кадров в условиях отечественной высшей школы всегда остро стоял вопрос эффективности проведения промежуточной и итоговой аттестации студентов по техническим дисциплинам прикладного характера. На кафедре «Машины и технологии литейного производства» им. П.Н. Аксенова в Московском политехническом университете в целях повышения достоверности и эффективности проведения экзаменов по дисциплине «Компьютерное проектирование изделий промышленного дизайна» рядом преподавателей был предпринят эксперимент по внедрению в учебный процесс стандартов Worldskills, разработке экзаменационных заданий, методик и критериев их оценивания в соответствии с данными стандартами.
Цель исследования: проверка предположения о том, что практико-ориентированные экзамены, проведение которых регламентируется стандартами соответствующих компетенций Worldskills, могут быть более эффективны при оценивании знаний студентов по техническим дисциплинам прикладного характера, нежели классические экзамены «вопрос-задача» привычные в практике высшей школы.
Материалы и методы исследования
Согласно техническому описанию компетенции термин «Инженерный дизайн CAD (САПР)» – процесс использования систем автоматизированного проектирования при подготовке графических моделей, чертежей, бумажных документов и файлов, содержащих всю информацию, необходимую для создания физического прототипа изделия (объекта) [1].
Также, согласно этому документу, под автоматизированным проектированием понимают использование компьютерных систем для разработки, анализа и оптимизации механических конструкций. Последняя формулировка ограничивает область существования автоматизированного проектирования исключительно CAD, CAE и CAM-системами, которые применяют для разработки и создания технических объектов – деталей автомобилей, судов, самолетов и т.п.
Для соответствующих отраслей промышленности, таких как общее машиностроение, автомобилестроение, судостроение и др., формулировка термина автоматизированное проектирование является исчерпывающей. Однако для сферы технологий художественной обработки материалов (ТХОМ) или дизайна отмеченное в ней ограничение является не совсем верным. Продуктом областей дизайна и ТХОМ являются изделия (объекты), обладающие эстетической ценностью. Несмотря на это, каждое такое изделие есть результат проектирования, сложность и трудоемкость которого может не уступать разработке машиностроительной детали.
При создании колец, серег или иных украшений ювелир разрабатывает не только их дизайн, но и учитывает требования, которые предъявляют к таким изделиям как к конструкциям. Только учет прочностных и технологических свойств драгоценного металла, особенностей технологии получения изделия является основанием для выбора размеров и толщин стенок элементов такого изделия.
Как видно, из представленного примера любое ювелирное изделие является объектом проектирования, как художественного, так и технического. Аналогично, обстоит дело с любыми другими продуктами областей ТХОМ и дизайна – скульптурой, авторской шкатулкой или кованой калиткой. Каждое из перечисленных изделий результат технического проектирования, обладающее эстетической ценностью.
Очевидно, что для таких изделий, так же как и для машиностроительных деталей, на этапе проектирования возможно применение CAD, CAE и CAM-системы. Однако это происходит нечасто. Преобладание художественного содержания над техническим делает неудобным, а в некоторых случаях невозможным использование машиностроительных систем. Поэтому в областях дизайна и ТХОМ находят применение системы, которые не укладываются в исторически сложившуюся классификацию CAD, CAE и CAM. Применение которых, тем не менее, нельзя не назвать автоматизированным проектированием, а их использование полностью отвечает содержанию компетенции «Инженерный дизайн CAD (САПР)» и позволяют создавать графические модели, которые содержат всю информацию, необходимую для создания физического прототипа изделия (объекта) механической обработкой или прототипированием.
Среди широкого спектра систем, применяемых в области дизайна и ТХОМ, следует выделить Rhinoceros и Zbrush.
Rhinoceros, имея в своей основе структуру классической инженерной CAD-системы, одновременно представляет возможность свободной работы с отдельными линиями и поверхностями тел. Система Rhinoceros нашла широкое применение в дизайне и ювелирной промышленности [2, 3].
Система Zbrush зарекомендовала себя в сфере создания компьютерных игр и спецэффектов к фильмам и является прекрасным инструментом современного скульптора. Хорошими примерами ее применения могут быть статуэтки персонажей игр и фильмов, которые и являются продуктом областей дизайна и ТХОМ [4, 5].
Таким образом, применение критериев оценки уровня подготовки специалистов, области ТХОМ и дизайна в рамках компетенции «Инженерный дизайн CAD (САПР)» является допустимым и правильным.
Краеугольным камнем на пути реализации практико-ориентированного подхода к проведению аттестации студентов является составление экзаменационного задания и критериев его оценки. Стандарты Worldskills предусматривают модульную систему формирования задания, которое одинаково для всех экзаменуемых, и два типа критериев оценки: объективные и судейские (субъективные). Предполагается, что критериев оценки должно быть достаточно много для обеспечения наиболее точного результата оценивания достижений каждого участника экзамена.
Экзаменационное задание было разработано как форма контроля знаний умений и навыков, приобретенных в рамках дисциплины «Компьютерное проектирование изделий промышленного дизайна». Целью дисциплины является приобретение студентами знаний, умений и навыков по компьютерным программам, которые используются в области ТХОМ для создания трехмерных моделей художественных изделий с целью, использования их для дальнейшего производства. Поэтому экзамен оценивает уровень освоения и владения цифровыми инструментами и компьютерными программами области ТХОМ.
Одной из самых сложных и трудоемких задач в области технологий художественной обработки материалов является создание статуэток и скульптурных композиций. Обычно скульптор – автор скульптуры или статуэтки, выступает в роли заказчика, а специалист в области ТХОМ является исполнителем этого проекта. Его задачей является реализация технологии изготовления изделия, созданного скульптором, сохранение и передача всех особенностей его художественного образа в выбранном материале.
Так как специалист в области ТХОМ не обладает умениями и навыками скульптора или художника в достаточной степени, он должен владеть инструментами которые позволяли бы работать с художественным изделием без существенного влияния на его художественный образ, со своей стороны.
Содержательно экзаменационное задание относится к области проектирования художественных изделий и заключается в создании 3Д модели скульптуры, готовой для производства. Участнику экзамена предоставляют авторскую скульптуру, выполненную из глины, воска или пластилина (рисунок).
Скульптура к экзаменационному заданию
Используя метод 3Д сканирования, участник создаёт её 3Д модель с минимально возможным количеством искажений геометрии скульптуры.
После этого происходит доработка полученной 3Д модели в системе Zbrush. Заключительным этапом является создание подставки в системе Rhinoceros, перевод её в систему Zbrush, доработка и объединение с 3Д моделью скульптуры.
Экзаменационное задание разделено на три модуля М1, М2, М3. Наименование модулей, их составных частей и нормы времени на выполнение представлены в табл. 1. Задачей первого модуля является получение с помощью сканера 3Д модели скульптуры с минимальным количеством дефектов поверхности и искажением её геометрии. Участнику экзамена выдаётся авторская скульптура и предоставляется всё необходимое оборудование для проведения 3Д сканирования (3Д сканер, поворотный стол, ноутбук, соединительные провода). Каждый участник самостоятельно осуществляет подготовку к сканированию и само сканирование. Каждому участнику экзамена предоставляют 3 попытки сканирования и выбор между 3Д моделями трёх попыток. Второй модуль содержит две задачи: устранение дефектов 3Д модели и искажений геометрии её элементов, которые могут возникнуть на модели при сканировании скульптуры и художественная доработка 3Д модели. Сканирование не может в полной мере передать рельеф поверхности объекта. Узкие отверстия и впадины, теневые зоны, закрытые выступающими элементами скульптуры, не будут воспроизведены на поверхности модели, что существенно скажется на её художественном образе. Поэтому помимо устранения дефектов, неизбежных при сканировании, требуется обязательная доработка модели в системе Zbrush. Задачей третьего модуля является создание устойчивой подставки, которая будет дополнять художественный образ скульптуры. Создание подставки требуется осуществить в три шага. Изначально 3Д модель подставки создают в системе Rhinoceros, что позволяет создать подставку с точными размерами и конфигурацией. Далее 3Д модель подставки экспортируют в систему Zbrush, где проводят необходимую её доработку и объединение с 3Д моделью скульптуры.
Модули экзаменационного задания (М1, М2, М3) оцениваются по отдельности по 100-балльной системе с помощью критериев, представленных в табл. 2. Общий балл за экзамен выставляется как среднее арифметическое от суммы оценок за все три модуля, даже если выполнены только один или два модуля из трёх.
Такая система позволит оценить каждого участника экзамена вне зависимости от степени законченности задания.
Результатом экзамена является рейтинг участников экзамена, в котором каждый из них может увидеть и осознать уровень своих умений и навыков в применении цифровых инструментов и компьютерных программ для решения задач области ТХОМ
Таблица 1
Модули задания и нормы времени на их выполнение
|
Модуль |
Наименование задачи модуля |
Время, ч |
|
|
1 |
Создание 3Д модели объекта с применением трёхмерного сканера |
3 |
|
|
2 |
Доработка 3Д модели скульптуры в программном продукте ZBrash |
4 |
|
|
3 |
Проектирование 3Д модели подставки для скульптуры |
3 |
|
|
3.1 |
Создание 3Д модели подставки в системе Rhinoceros |
1 |
|
|
3.2 |
Перевод 3Д модели подставки в систему Zbrush и её доработка |
1 |
|
|
3.3 |
Объединение 3Д моделей скульптуры и подставки |
1 |
|
Таблица 2
Критерии оценки
|
№ |
Критерий оценки |
Описание |
Вид |
Значимость (в баллах) |
|
|
1.1 |
Количество сканов для создания трёхмерной модели |
от 10 до 16 |
45 |
Объективный |
45 |
|
от 16 до 24 |
30 |
||||
|
свыше 24 |
15 |
||||
|
1.2 |
Количество элементов скульптуры с искажённой геометрией |
не более 3 элементов |
45 |
Объективный |
45 |
|
от 3 до 5 элементов |
30 |
||||
|
более 5 элементов |
15 |
||||
|
1.3 |
Сканирование скульптуры в другом положении для воспроизведения нижней части модели |
проведено |
10 |
Объективный |
10 |
|
не проведено |
0 |
||||
|
2.1 |
Количество дефектов поверхности 3Д модели (не сшитые полигоны в 3Д модели «Дырки») |
нет |
50 |
Объективный |
50 |
|
не более двух |
25 |
||||
|
не более пяти |
15 |
||||
|
2.2 |
Степень соответствия скульптуре, полученной 3Д модели |
– Детальность проработки элементов 3Д модели в сравнении со скульптурой; – Детальность проработки рельефа 3Д модели в сравнении со скульптурой |
Субъективный |
50 |
|
|
3.1 |
Соответствие габаритных размеров 3Д модели требуемым |
± 1 мм |
40 |
Объективный |
50 |
|
± 3 мм |
25 |
||||
|
± 5 мм |
15 |
||||
|
3.2 |
Общая эстетическая ценность 3Д модели скульптуры |
– Грамотно осуществлён, без искажения геометрии 3Д модели, экспорт-импорт между системами Rhinoceros и Zbrush; – Законченность (качество сборки 3Д модели в Zbrush) |
Субъективный |
50 |
|
Результаты исследования и их обсуждение
На данный момент по разработанному заданию проведено уже 5 практико-ориентированных экзаменов. Однозначно можно утверждать, что в этом случае практически отсутствует возможность «списать» или вытащить «счастливый» билет, так как задание представляет собой объемную работу, выполнение которой невозможно без обладания надлежащими знаниями и умениями в области изучаемых технологий. Также следует отметить, что со стороны студентов отмечается большая мотивация к успешной сдаче такого экзамена. Основным минусом практико-ориентированной формы можно назвать длительность проведения экзамена, что приводит к повышению нагрузки на преподавателей.
Заключение
По мнению авторов, практико-ориентированные экзамены по стандартам Worldskills могут применяться в качестве достойной альтернативы классическим формам аттестации учащихся с целью повышения ее качества и достоверности.