Современным педагогам-практикам часто видится необходимым внести новшества не только в методы преподавания, но и в структуру изложения изучаемого материала [1–3].
В данном исследовании проведен анализ классической структуры изложения материала по дисциплине «Начертательная геометрия и инженерная компьютерная графика», а также дана оценка необходимости реорганизации образовательного процесса.
Цель исследования – обосновать последовательность изучения разделов начертательной геометрии и инженерной компьютерной графики, сложившейся исторически в рамках высшей школы. Для этого выделяются особенности дисциплины, объясняющие формирование классической структуры изложения материала; приводятся аргументы, доказывающие пагубное влияние на качество геометро-графической подготовки студентов экспериментов по отмене или объединению в изучении некоторых разделов; анализируются публикации авторов, придерживающихся различных мнений по вопросам необходимости реорганизации учебного материала путем сокращения объема в пользу внедрения компьютерной графики.
Материалы и методы исследования
При написании статьи использовались теоретические методы исследования. Проводился анализ научной литературы, посвященной исследованиям в области применения компьютерной графики при изучении разделов начертательной геометрии и инженерной графики. Делался сравнительный анализ оценок необходимости менять структуру изложения учебного материала, данных разными авторами. Кроме того, стоит также отметить личный педагогический опыт автора.
Результаты исследования и их обсуждение
В Уральском государственном университете путей сообщения (г. Екатеринбург) дисциплина «Начертательная геометрия и инженерная компьютерная графика» изучается два семестра на первом курсе, при этом весь первый семестр посвящен изучению разделов начертательной геометрии, а во втором на фоне изучения теоретической базы по разделам инженерной графики происходит овладение навыками работы в графическом редакторе для выполнения практических заданий. Начертательная геометрия представлена 18 часами лекций и 18 часами практических занятий, а инженерная компьютерная графика – 36 часами работы в малых группах по 12–15 чел. на лабораторных занятиях.
В рамках начертательной геометрии изучаются следующие разделы: точка, прямая (виды, положение между собой и относительно точки), плоскость (виды, положение между собой, относительно точки и прямой), способы преобразования чертежа, поверхности (виды, пересечение с прямой, плоскостью и между собой, натуральная величина сечения, тела с вырезом), развертки поверхности.
Традиционно многие считают необходимым в рамках начертательной геометрии рассматривать аксонометрические проекции [4]. Автору видится это нецелесообразным по нескольким причинам:
– в рамках ограниченного учебного времени включение дополнительного раздела приведет к сокращению выделяемого времени на изучение остального материала;
– изучение аксонометрических проекций на фоне выполнения простейших геометрических тел не так практико-ориентированно, как изображение конкретных деталей сложных геометрических форм во время выполнения заданий инженерной графики по проекционному черчению, эскизированию деталей с натуры или во время деталирования сборочного чертежа.
На фоне внедрения компьютерной графики в геометро-графическую подготовку многие исследователи предлагают отказаться от подробного изучения начертательной геометрии (точка, прямая, перпендикулярность и параллельность прямых и плоскостей, способы преобразования чертежа), а если и говорят о необходимости рассмотрения пересечения плоскостей и поверхностей, то приводят аргументы, что средства систем автоматизированного проектирования сами могут выдать результат пересечения, не обязательно уделять так много времени ручному построению [5–7].
Как уже отмечалось автором [8], не стоит слишком полагаться на возможности систем автоматизированного проектирования. Задача геометро-графической подготовки в вузе не только научить специалиста работать с конструкторской документацией (читать и создавать), пользуясь современными техническими средствами, но и развивать его пространственное мышление. Это возможно только при самостоятельном решении практико-ориентированных задач, а не при использовании тех или иных операций систем автоматизированного проектирования [9, 10].
Последовательность изучения разделов начертательной геометрии также отмечается как фактор, осложняющий изучение дисциплины – пропуск одной темы влечет за собой сложности в восприятии последующих тем [11]. Тем непонятнее выглядят попытки практикующих исследователей отменить изучение способов преобразования чертежа, аргументируя тем, что сейчас все можно с любого ракурса рассмотреть в трехмерном пространстве графического редактора. Но как в дальнейшем построить натуральную величину сечения тела плоскостью без элементарных представлений о возможности преобразовывать положение объектов на чертеже – или эта тема тоже не должна изучаться, если в графическом редакторе есть возможность построить автоматически сечения [12]?
К обязательным для изучения разделам инженерной графики можно отнести следующие: проекционное черчение, аксонометрические проекции, эскизирование деталей с натуры, резьбы и соединения деталей, создание и деталирование сборочного чертежа.
К специфическим разделам, которые могут изучаться студентами отдельных специальностей, например 08.03.01 «Строительство», 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» и др., – можно отнести: перспективу, архитектурно-строительное черчение, проекции с числовыми отметками, зубчатые передачи, схемы электрические и т.д.
После исключения из школьной программы предмета «Черчение» студентам приходится в самом начале учебного года самостоятельно изучать материал, изложенный в ГОСТ 2.104-2006. «Основные надписи», ГОСТ 2.301-68. «Форматы», ГОСТ 2.302-68. «Масштабы», ГОСТ 2.303-68. «Линии», ГОСТ 2.304-81. «Шрифты», ГОСТ 2.306-68. «Штриховка», ГОСТ 2.307-68. «Размеры». И тем не менее только при выполнении задания по теме «Проекционное черчение» отрабатывается применение на практике всех этих нормативов одновременно, а также ГОСТ 2.305-2008. «Изображения – виды, разрезы, сечения», на изучении которого и построена вся тема.
В продолжение выполнения задания студенты вычерчивают аксонометрическую проекцию этой же детали с вырезом. Надо понимать, что это происходит примерно в конце февраля – начале марта, поэтому изложение теории об аксонометрических проекциях в декабре, как завершающий этап начертательной геометрии, было бы нелогичным, так как к моменту применения знаний на практике после первой в жизни студента сессии многое уже может быть забыто, и это может служить еще одним аргументом в пользу вынесения раздела начертательной геометрии во второй семестр. На рисунке показан пример выполнения задания «Проекционное черчение»: по заданным фронтальной и горизонтальной проекциям детали была создана трехмерная модель в масштабе 1:1, затем по ней был создан ассоциативный чертеж, выполнен ступенчатый разрез и нанесены размеры. На последнем этапе добавлена прямоугольная изометрия детали с вырезом по центру любого отверстия с ручным нанесением штриховки в плоскостях, попавших в разрез. Есть возможность во время построения трехмерной детали выбрать любой материал из библиотеки, тогда в основной надписи автоматически отразится вес изделия, на примере деталь выполнена из стали ГОСТ 1050-88 и ее масса 0,69 кг. На примере этого задания показано, как изучение разделов инженерной графики отражается в выполнении заданий посредством графического редактора в качестве инструмента [13], компьютерная графика не является отдельной дисциплиной, завершающей геометро-графическую подготовку студентов.
Пример выполнения задания «Проекционное черчение»
После изучения ГОСТов Единой системы конструкторской документации и применения их на практике во время выполнения проекционного чертежа детали можно приступать к эскизированию детали с натуры. Здесь возникает проблема: в домашней обстановке студента очень много деталей с резьбами, поэтому преподаватель либо запрещает использовать такие детали, либо оговаривается заранее, что эскиз не будет содержать информацию о резьбе. Интуитивно мы понимаем, что инженер при создании чертежа должен знать не только о правилах проекционного черчения, но и об эскизировании и резьбах, но в учебном процессе то, что будет на практике применяться одновременно, приходится изучать последовательно.
Эскизирование часто изучается не как отдельный раздел, а как вспомогательный материал для создания или деталирования сборочного чертежа [14]. Допустим, задание может выглядеть так: «По заданной сборочной единице создать эскизы оригинальных деталей и сборочный чертеж». У студентов возникает необходимость для выполнения одного задания изучить сразу два вопроса: эскизирование деталей с натуры и изображение сборочной единицы на чертеже. В результате преподаватель выдает одно задание, но времени на его выполнение тратится не меньше, чем на выполнение двух заданий: эскиз одной произвольной детали из домашней обстановки студента и создание сборочного чертежа со спецификацией посредством графического редактора на выданную сборочную единицу (чаще всего, это краны).
При этом без школьной геометро-графической подготовки студентам необходимо выполнить самостоятельно хотя бы один эскиз за время изучения дисциплины не столько для закрепления правил эскизирования, сколько для развития мышления. Пример из практики автора: для большинства студентов оказывается непосильной проблемой изобразить в двухмерном виде деталь, которая лежит в ладони, но если эта же деталь будет сфотографирована на смартфон с необходимых трех ракурсов, то, уже глядя на фотографию, студенты вычерчивают эскиз гораздо быстрее. Необходимо понимать, что при этом происходит подмена процессов: вместо передачи трехмерного объекта на плоское изображение студенты смотрят на цветное плоское изображение и вычерчивают такое же плоское изображение, но цвета графита от простого карандаша, это перерисовывание фотографий, а не эскизирование деталей с натуры.
В рамках изучения раздела «Резьбы и соединения деталей» рассматриваются различные виды резьб, их параметры и сферы применения, выполняется расчет параметров и вычерчивание стандартных резьбовых изделий и соединений, рассматриваются резьбовые и нерезьбовые соединения деталей.
Во время работы по созданию или деталированию сборочного чертежа студенты учатся оформлять пакеты конструкторской документации на сборочную единицу, читать готовые сборочные чертежи, могут как вспомогательный инструмент использовать эскизирование и изображение деталей в аксонометрических проекциях. И снова отметим, что помимо изучения нового материала по работе со сборочным чертежом, остаются в применении знания и навыки, полученные при изучении прошлых разделов, таким образом, и начертательная геометрия, и инженерная компьютерная графика отличаются от большинства изучаемых студентами дисциплин эффектом «снежного кома» – знания копятся на протяжении всего семестра, и на экзамене студент должен показать свое умение воспользоваться всеми полученными знаниями и навыками.
Также встречается изучение понятия «сборочный чертеж» только в рамках либо его создания, либо его деталирования. Поскольку это два противоположных действия: создание студентом самостоятельно пакета конструкторской документации на изделие и умение читать уже кем-то созданный сборочный чертеж и получать из него максимум информации, – то можно сказать, что при объединении этих разделов одна грань развития геометро-графической подготовки студента остается нераскрытой.
Часто на примере создания или деталирования сборочного чертежа применяются современные интерактивные формы обучения, например работа команды над одним проектом. Попытки объединения или исключения некоторых разделов из учебной программы при этом чаще ведут к тому, что несколько объемных в информационном смысле тем изучаются весьма поверхностно, а проект, рассчитанный на выполнение несколькими студентами, выполняет один более ответственный студент. Поэтому необходимо тщательно продумывать, каким образом внедрять командную работу в учебный процесс, чтобы у одних студентов не возникало возможности переложить свои задания на других студентов, чья оценка может стать ниже, если они откажутся работать за всю команду.
Заключение
В рамках данной статьи автор хотел еще раз акцентировать внимание практикующих педагогов геометро-графических дисциплин, что внедрение компьютерной графики в классическую структуру геометро-графической подготовки студентов может служить лишь инструментом по выполнению заданий на более качественном уровне по точности и аккуратности в более краткие сроки. Но возможности графических редакторов не должны искоренять ручной труд студентов в решении практических задач, что также отмечается другими исследователями [15], поэтому необходимо с осторожностью подходить к изменению структуры изложения изучаемого материала, особенно с целью что-то сократить.
Во-первых, возможности графического редактора ограничены тем, что в него заложено разработчиками, а в случае решения нестандартной задачи инженер должен сам применить знания и методы решения или показать на пути развития разработчикам графических редакторов.
Во-вторых, в рамках изучения геометро-графических дисциплин студенты не только учатся формировать пакеты конструкторской документации средствами современных технологий, но также происходит развитие их пространственного мышления, а при упрощении уровня задач и уменьшении их количества эта цель останется недостижимой.
Компьютеризация выполнения заданий, изложения материала, а в последние пару лет и внедрение электронных образовательных систем при всей положительности с точки зрения соответствия современным реалиям и требованиям к современному специалисту не должны отражаться на фундаментальности изучаемого материала, каким бы образом он ни преподносился современным студентам. Работа в графическом редакторе не должна исключать ручной труд, непосредственно связанный с интеллектуальным трудом студента.