Наши журналы
Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

ТРЕХМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В MESHMIXER 3.3 КАК СРЕДСТВО ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Научная статья
Кадеева О.Е.
Сырицына В.Н.
Гревцов К.Ю.
Ильченко О.Ю.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2020.101.11.094
Выпуск: № 11 (101), 2020
Опубликована:
2020/11/17
PDF

ТРЕХМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В MESHMIXER 3.3 КАК СРЕДСТВО ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Научная статья

Кадеева О.Е.1, * Сырицына В.Н.2, Гревцов К.Ю.3, Ильченко О.Ю.4

1 ORCID:0000-0001-8498-7305;

2 ORCID:0000-0001-6938-3116;

1, 2, 3, 4 Дальневосточный федеральный университет, Уссурийск, Россия

* Корреспондирующий автор (opgamen[at]mail.ru)

Аннотация

В данной статье рассматривается возможность разработки 3D моделей обучающимися средней школы средствами MESHMIXER 3.3 в рамках дополнительного образования по информатике. Цель: 3D-индустрия развивается огромными темпами, поэтому обучение потенциальных деятелей в этой отрасли является одной из перспективных и необходимых задач современной школы. Проблема исследования: проанализировать работу обучающихся с трехмерным моделированием в учебном процессе на примере бесплатной программы Autodesk MeshMixer и определить их дальнейшие интересы в области редактирования 3D-графики и подготовки 3D-моделей к печати. Методы: теоретический анализ источников и изучение технологии 3D-печати; проведение эксперимента по созданию моделей; наблюдение за процессом работы обучающихся; анкетирование. Результат: для изучения 3D-моделирования и разработки 3D-моделей правильнее всего использовать метапредметный подход, так как компьютерное моделирование позволяет более глубоко и осознанно изучать абсолютно любые природные объекты, процессы и явления, а также познавать объекты, процессы и явления из сферы человеческой жизнедеятельности. Метапредметный подход дает ученикам универсальные когнитивные навыки к поиску решений задач, поставленных как способ решения возникающих проблем, через использование знаний и навыков, которые были усвоены и систематизированы ими ранее. Через целенаправленную деятельность ученики учатся находить решения в любых областях и сферах жизни.

Ключевые слова: 3D-модель, визуализация, дополнительное образование, программа MESHMIXER 3.3, школьный курс информатики, ученик.

3D MODELING IN MESHMIXER 3.3 AS A MEANS OF ADDITIONAL EDUCATION

Research article

Kadeeva O.E.1, *, Syritsyna V.N.2, Grevtsov K.Yu.3, Ilchenko O.Yu.4

1 ORCID:0000-0001-8498-7305;

2 ORCID:0000-0001-6938-3116;

1, 2, 3, 4 Far Eastern Federal University, Ussuriysk, Russia

* Corresponding author (opgamen[at]mail.ru)

Abstract

This article discusses the possibility of developing 3D models for secondary school students using Meshmixer 3.3 as part of additional education in computer science. Objective: the 3D industry is developing at a huge pace, thus training potential specialists in this industry is one of the most prospective and necessary tasks of a modern school. Research strategy: to analyze the work of students with 3D modeling in the educational process using the example of the free Autodesk Meshmixer software and to determine their future interests in the field of 3D modeling and 3D printing. The Methods include a theoretical analysis of sources and study of 3D printing technology, conducting an experiment on creating 3D models, monitoring the process and questionnaires. Results: to study 3D modeling and 3D sculpting, it is best to use a metasubject approach, since computer modeling allows for studying any real-life objects, processes and phenomena more deeply and consciously as well as for learning objects, processes and phenomena from the spheres of human activity. The metasubject approach provides students with universal cognitive skills to find solutions to problems through the use of knowledge and skills that they have previously learned and systematized. Through purposeful activity, students learn to find solutions in all aspects of life.

Keywords: 3D model, visualization, additional education, Meshmixer 3.3, school computer science course, student.

Введение

Активное внедрение компьютерных технологий во все сферы общественной жизни во второй половине ХХ века, позволило решить проблемы доступности высшего образования в мире и привело к тому, что в школах стали активно использоваться возможности информационных технологий. XXI век – век научно-технического прогресса. А это значит, что окружающий мир становится все более и более развитым и уже невозможно существовать без технических средств: телефонов, планшетов, компьютеров и других гаджетов.

В соответствии с концепцией преподавания информатики и информационно-коммуникационных технологий в средней школе базовыми подходами в обучении являются метапредметный и деятельностный подходы, которые реализуются путем создания эффективных условий, позволяющих обучающимся включаться в процесс овладения современными информационными технологиями, ориентацией на продуктивный и творческий характер деятельности, средством побуждения обучающихся к экспериментированию, стимуляции самостоятельного поиска знаний [2].

В связи с чем, в школьную программу был введен раздел «Компьютерное моделирование», занимавшее отдельную нишу в школьном курсе «Информатики». Так как его внедрение в школьную практику и использование на различных уроках стало актуальным, то это стало способом реализации углубления знаний о предметах, так как при работе с моделью невозможно отвлечься от реальных и нужных для изучения характеристик, соответствующих изучаемому предмету (объекту), процессу или явлению [11].

На протяжении многих столетий моделирование являлось мощнейшим инструментом в науке и технике. Сегодня, в большинстве случаев, под моделированием понимают именно компьютерное моделирование. Сами модели и моделирование человечеством используются уже давно. С помощью моделей развивались разговорные языки, письменность, графика. Элементы моделирования в базовом курсе информатики присутствуют в школьных учебниках и закреплены в проекте федеральных компонентов государственного образовательного стандарта по информатике.

Методы и принципы исследования

Для достижения цели и решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: анализ психолого-педагогической, научной, научно-методической, научно-популярной и учебной литературы, Интернет-источников; анализ учебных планов, программ, учебников, федеральных стандартов; наблюдение, собеседование с обучающимися и преподавателями; наблюдение и анализ деятельности преподавателей и обучающихся с целью изучения состояния исследуемой проблемы.

В рамках исследования возможностей процесса моделирования в школьном курсе был разработан учебный практикум «Моделирование средствами MESHMIXER 3.3 в школьном курсе информатики».

Для оценки эффективности апробируемой технологии обучения на всех этапах исследования применялись качественные и количественные методы анализа. Влияние процесса моделирования как образовательной технологии на процесс обучения обучающихся оценивалось посредством наблюдения и анализа полученных результатов.

Основные результаты

В настоящее время практически не существует областей человеческой деятельности, где бы не использовалось компьютерное моделирование.

С помощью новых технологий школьное образование сможет [5], [13]:

  • сформировать у школьников умение владеть современными методами поиска, обработки, использования информации;
  • подготовить школьника к проектной деятельности на основе системного подхода;
  • научить работать с полученной информаций;
  • дать новые навыки работы с компьютерами нескольких типов, различными вспомогательными устройствами, системными и прикладными программными средствами общего назначения;
  • позволить овладеть умениями работы в локальных сетях, системах телекоммуникаций и другом.

Решение учащимися творческих задач с помощью компьютера, является одним из способов развития их творческих способностей. Решая подобные задачи, обучающиеся учатся творчески мыслить, и находить новые пути решения. Для этого требуются наблюдательность, умение сопоставлять и анализировать, находить связи и зависимости. Все это и составляет творческие способности. Компьютерное моделирование играет главную роль для достижения целей и задач обучения информатики.

Федеральный государственный стандарт допускает изучение компьютерного моделирования как в курсе основной, так и старшей школы. Изучение темы «Формализация и моделирование» рекомендуется к изучению в 8 классе, с помощью примеров моделирования процессов и объектов, использования графических и табличных моделей. Введение в тему и изучение видов компьютерного моделирования предусматривается в старших классах. Здесь уже используются более продвинутые математические и имитационные модели, связанные с социальными и техническими системами и процессами.

Изучая данную тему, ученики узнают основы моделирования, получают представление о модели и ее видах. Это обосновывается тем, что при проведении исследования, обучающиеся должны уметь правильно выбирать и эффективно использовать подходящую программную среду и соответствующие инструменты для каждой построенной ими модели.

Современное образование, характеризуется повышенным вниманием к понятию модели и методологии моделирования. Оно использует их во многих областях знания, но лишь изучение информатики помогает учащимся собрать свои знания о моделях в общую систему и осознанно применять их в своей учебной и практической деятельности. Поскольку в настоящее время задачи обучения заключаются в обновлении содержания и получении нового качества получаемого результата, роль обучения информационному моделированию становится особенно значимой и обладает приоритетной способностью обеспечивать результативность образования во всей совокупности ее элементов. Вследствие чего на всех уровнях обучения федеральный государственный стандарт устанавливает предметные результаты, включающие в себя компьютерное моделирование [3], [4].

Основу метапредметных результатов образования составляет возможность использования в практике обучающимися освоенных знаний, межпредметных понятий и универсальных учебных действий. В процессе любой деятельности человек приобретает знания и опыт. Решение задач – это основная учебная деятельность. Вследствие чего необходимо конкретизировать перечень умений и навыков необходимых для решения задач по информационному моделированию [8, С. 65]: выделять объект, субъект и цель моделирования; проводить анализ; уметь работать с информацией; оценивать методики решения задач по моделированию; применять модель к решению поставленной задачи.

Моделирование – это один из сложнейших разделов школьного курса информатики. Содержательно-структурный компонент «Моделирование и формализация» является важной, постоянно улучшающейся, составляющей дисциплины, в следствии чего методы обучения постоянно обновляются и дополняются. Но, несмотря на это, у различных авторов уже существуют собственные методики обучения компьютерному моделированию.

Перед изучением самого моделирования, нужно провести вводную беседу и обговорить общие понятия, обозначенные в обязательном минимуме. Для этого при создании учебного плана необходимо выделить время вводной темы «Введение в информационное моделирование». Здесь учитель сталкивается с проблемами содержательного и методического характера, которые связанны с глубоким научным уровнем понятий. На этапе изучения содержания «Формализации и моделирования» у учащихся может быть разный уровень подготовки, а также количество учебных часов в школах может отличаться от минимума, вследствие чего федеральный государственный стандарт предусматривается три уровня изучения темы: минимальный, дополнительный, углубленный уровень.

В соответствии с этим, следует выделить три типа задач из области информационного моделирования и расположить их в порядке возрастания сложности восприятия [10, С. 14-16]:

  • из представленной модели объекта извлечь необходимую информацию и сформулировать выводы;
  • на основе данных о действительно существующем объекте разработать информационную модель;
  • осуществить процесс моделирования на компьютере.

При обучении компьютерному моделированию следует использовать такие формы обучения как – лекция, лабораторные работы и зачетные занятия. Как правило, весь процесс создания и последующего практического применения каждой новой модели занимает 3-4 урока. При изложении материала учителю, следует формировать вопросы и ставить задачи, которые в дальнейшем обучающиеся решают самостоятельно, а также находят пути их решения. Допускается введение какой-либо дополнительной литературы, со вспомогательными сведениями по решаемой учениками задаче.

Изучая новый материал рекомендуется использовать лекцию длительностью в урок. По окончании изучения очередной модели, учащиеся выдаются необходимые им теоретические сведения и комплект задач для дальнейшей работы над предложенным заданием. Если при изучении материала использовалось несколько моделей, либо ученикам, либо самому учителю следует выбрать с какой из них будет проводиться работа. При подготовке к выполнению задания, учащиеся сами выбирают подходящий им метод решения, и тестируют его, прибегая уже к какому-либо известному решению. Если при выполнении задания ученики сталкиваются с проблемами, учитель проводит дополнительную консультацию, и более детально разбирает проблему с помощью дополнительной литературы [3], [6].

Результат работы представляется в табличном виде (графики, диаграммы, формулы и так далее), расчеты анализируются и сравниваются с фактическими данными и проверяется достоверность. Если результат устраивает и ученика, и учителя, то она считается завершенной и формируется письменный отчет по проделанной работе, включающий в себя теоретические сведения по теме, математическую постановку задачи, алгоритм решения и его обоснование, программу, результаты работы программы, анализ результатов и выводы, список использованной дополнительной литературы.

Обсуждение

Одним из способов организации межпредметных связей компьютерного 3D-моделирования является проведение интегрированного урока. Это требует определенных усилий как со стороны учителя информатики, так и со стороны руководства и других сотрудников школы.

Интегрированный урок – это специально организованный урок, цель которого может быть достигнута лишь при объединении знаний из разных предметов, направленный на рассмотрение и решение какой-либо пограничной проблемы, позволяющий добиться целостного, синтезированного восприятия учащимися исследуемого вопроса, гармонично сочетающий в себе методы различных наук, имеющий практическую направленность [1], [7, С. 101].

Основные требования к занятию с межпредметными связями [2]:

– занятие должно иметь четко сформулированную учебно-познавательную задачу;

– должна быть обеспечена высокая активность и интерес учащихся;

– межпредметные связи должны способствовать пониманию учащимися сущности изучаемых понятий и явлений;

– в конце занятия на основе межпредметных связей необходимо сформулировать выводы.

В рамках дополнительного образования (факультативы, внеклассные занятия) организовать интегрированный урок становится гораздо проще, так как нет привязки к расписанию, и руководству школы будет проще пойти на это. Именно в связи с этим дополнительное образование открывает большие возможности для участников образовательного процесса реализовать метапредметные и межпредметные связи при разработке 3D-моделей.

В результате проведения данного урока ученики освоят начальный уровень создания и редактирования трехмерной графики, используя примитивы и операции над ними, научатся настраивать сцену и ее элементы, применять материалы. Также в ходе урока ученики познакомятся с терминологией, принятой в 3D моделировании.

Освоение редактора трехмерной графики позволяет в процессе моделирования развивать системное и пространственное мышление. Демонстрация работы различных инструментов управления и преобразования создаваемых объектов позволит ученикам понять их принцип, чтобы они могли с их помощью создавать более сложные формы объектов, последовательно применяя их в своей работе [9].

Кроме того, особенности работы редактора трехмерной графики MESHMIXER 3.3 позволяют дополнительно развить следующие навыки [12, С. 27-28]:

– внимательность и аккуратность: на каждом шаге выполнение той или иной операции необходимо контролировать, поворачивая модель в разных ракурсах, также необходимо следить за тем, какие объекты выделены, и вовремя снимать выделение;

– самопроверка: ученик проверяет свои навыки повторным применением на новых этапах выполнения работы ранее изученных инструментов, которые ему предлагается задействовать самостоятельно, тем самым ученик видит, какие инструменты ему в данном случае позволяют достичь результата;

– воображение: в процессе создания модели каждый последующий шаг может быть смоделирован различными способами, что позволяет ученику выбирать любые способы и варианты дальнейших действий, многие из которых могут привести к интересным открытиям и результатам;

– кругозор: внимание к деталям моделируемых объектов позволяет добиться их большей реалистичности, изучение возможностей различных инструментов увеличивает широту их применения и сложность реализуемых моделей и задач моделирования;

– пространственное мышление: развиваются навыки геометрического мышления, законы композиции и гармонии, ученики лучше усваивают располо­жение предметов и объектов в пространстве и соотношений между ними.

Таким образом, моделирование трехмерной графики позволяют детям развивать универсальные навыки и использовать свои знания для решения задач 3D моделирования. При этом развиваются аккуратность, внимательность, наблюдательность, кругозор, системное решение, воображение и другие полезные навыки.

Заключение

Освоение редактора трехмерной графики MESHMIXER 3.3 позволяет в процессе моделирования развивать системное и пространственное мышление. Демонстрация работы различных инструментов управления и преобразования сеточных моделей позволяет обучающимся понять принцип управления трехмерными сетками, подготовки сетчатых моделей к трехмерной печати, они учатся определять, как можно сэкономить на материале для печати, учатся проводить анализ модели и построение поддержек для нависающих деталей. Кроме того, особенности работы редактора трехмерной графики MESHMIXER 3.3 позволяют дополнительно развивать следующие навыки: внимательность и аккуратность: на каждом шаге выполнение той или иной операции, контролируя при повороте модель в разных ракурсах; самопроверку: ученик проверяет свои навыки повторным применением на новых этапах выполнения работы ранее изученных инструментов, которые ему предлагается задействовать самостоятельно, тем самым ученик видит, какие инструменты ему в данном случае позволяют достичь результата; воображение: MESHMIXER 3.3 предоставляет огромные возможности для смешивания сетчатых моделей между собой, используя топологические подстановки, накладывание сеток, сглаживание поверхностей, булевы операции над объектами, скульптурирование и другое, что позволяет в полной мере реализовать практически любые творческие замыслы; кругозор: внимание к деталям моделируемых объектов позволяет добиться их большей реалистичности, изучение возможностей различных инструментов увеличивает широту их применения и сложность реализуемых моделей и задач моделирования; пространственное мышление: развиваются навыки геометрического мышления, законы композиции и гармонии, ученики лучше усваивают расположение предметов и объектов в пространстве и соотношений между ними; навыки подготовки твердотельных моделей: ученики узнают принципы подготовки моделей к трехмерной печати, какие требования для этого нужно соблюсти, знакомятся с принципами работы 3D-принтера, применяют знания механики твердых тел и материалов, изучаемых на уроках физики. Таким образом, моделирование трехмерной графики позволяет учащимся развивать универсальные навыки и использовать свои знания для решения задач 3D-моделирования.

Использование моделирования во внеурочной деятельности по информатике дает преподавателю обширный инструментарий для представления учебно-методических материалов дисциплины «информатика», проведения теоретических и практических занятий, организации учебной деятельности как индивидуальной, так и групповой, а возможности самих информационных технологий и процесса моделирования в школе расширяют познавательные возможности, как обучающихся, так и преподавателей.

Благодарности Авторы выражают искреннюю признательность уважаемым рецензентам за их труд и внимание к статье. Acknowledgement The authors express their sincere gratitude to the respected reviewers for their work and attention to the article.
Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. Алямовский А.А. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский. – М.: СПб: БХВ-Петербург, 2008. – 192 c.
  2. Белаш М.А. Метапредметные связи на уроках информатики / М.А. Белаш // Теория и практика образования в современном мире: материалы IX Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, июль 2016 г.). – СПб.: Свое издательство, 2016. – С. 44-46.
  3. Зарецкая С. Дистанционное обучение в современном мире / С. Зарецкая, И. Животовская, Т. Можаева. М.: ИНИОН РАН, 2002. 136 с.
  4. Захарова И. Г. Информационные технологии в образовании / И. Г. Захарова. М.: Академия, 2003. 192 с.
  5. Захарова И. Г. Информационные технологии для качественного и доступного образования / И. Г. Захарова // Педагогика. 2002. № 1. С. 27–33.
  6. Ибрагимов И. Информационные технологии и средства дистанционного обучения / И. Ибрагимов. М.: Academia, 2007. 336 с.
  7. Королев А.Л. Компьютерное моделирование / А.Л. Королев. – М.: БИНОМ. ЛЗ, 2013. – 230 c.
  8. Лоу Аверилл М. Имитационное моделирование. Классика CS / Лоу Аверилл М., Кельтон, В. Дэвид. – М.: СПб: Питер, 2004. – 848 c.
  9. Моисеева М. В. Интернет обучение. Технологии педагогического дизайна / М. В. Моисеева, Е. С. Полат, М. Ю. Бухаркина, М. И. Нежурина / под ред. М. В. Моисеевой. М.: Камерон, 2004. 216 с.
  10. Роберт И. В. Теория и методика информатизации образования (психолого-педагогический и технологический аспекты) / И. В. Роберт. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. 398 с.
  11. Сырицына В.Н. 3D-моделирование как средство развития познавательного интереса к информатике в средней школе / В.Н. Сырицына, О.Е. Кадеева // Фундаментальная наука и технологии – перспективные разработки. Материалы XXI международной научно-практической конференции. Издательство:LuluPress, Inc., 2020. – С. 19–22.
  12. Трубочкина Н.К. Моделирование 3D-наносхемотехники / Н.К. Трубочкина. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. – 499 c.
  13. Van Doorn J. R. The quest for knowledge transfer efficacy: blended teaching, online and in-class, with consideration of learning typologies for non-traditional and traditional students / J. R. Van Doorn, J. D. Van Doorn // Front Psychol. 2014. Vol. 17, № 5. P. 324.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Alyamovsky A.A. SolidWorks 2007/2008. Komp'juternoe modelirovanie v inzhenernoj praktike [SolidWorks 2007/2008. Computer modeling in engineering practice] /A.A. Alyamovsky. – M.: St. Petersburg: BHV-Petersburg, 2008. – 192 p. [in Russian]
  2. Belash M.A. Metapredmetnye svjazi na urokah informatiki [Metapredmet connection at IT lessons] / M.A. Belash // Teorija i praktika obrazovanija v sovremennom mire: materialy IX Mezhdunar. nauch. konf. (g. Sankt-Peterburg, ijul' 2016 g.) [Theory and practice of education in the modern world: materials IX Mezhdurechye. scientific konf. (St. Petersburg, July 2016)]. – St. Petersburg: His Seeker, 2016. – p. 44–46. [in Russian]
  3. Zaretskaya S. Distancionnoe obuchenie v sovremennom mire [Remote opening in the modern world] / S. Zareckaja, I. Zhivotovskaja, T. Mozhaeva. M.: INION RAS, 2002. 136 p. [in Russian]
  4. Zakharova I. G. Informacionnye tehnologii v obrazovanii [Information technologies in the image] / I. G. Zaharova. M.: Academy, 2003. 192 p. [in Russian]
  5. Zakharova I. G. Informacionnye tehnologii dlja kachestvennogo i dostupnogo obrazovanija [Information technologies for a high-quality and accessible image] / I. G. Zaharova // Pedagogika [Pedagogy]. 2002. № 1. p. 27–33. [in Russian]
  6. Ibragimov I. Informacionnye tehnologii i sredstva distancionnogo obuchenija [Information technologies and secondary distance learning] / I. Ibragimov. M.: Academia, 2007. 336 p. [in Russian]
  7. Korolev A.L. Komp'juternoe modelirovanie [Computer modeling] / A.L. Korolev. – M.: BINOM. LZ, 2013. – 230 p. [in Russian]
  8. Lou Averill M. . Imitacionnoe modelirovanie. Klassika CS [Simulation. Classic CS] / Lou, Averill M., Kelton, V. David. – M.: SPb: Peter, 2004. – 848 p. [in Russian]
  9. Moiseeva M.V. Internet obuchenie. Tehnologii pedagogicheskogo dizajna Internet. [Technology of pedagogical design] / M. V. Moiseeva, E. S. Polat, M. Ju. Buharkina, M. I. Nezhurina / ed. By M.V. Moiseeva. M.: Cameron, 2004. 216 p. [in Russian]
  10. Robert I. V. Teorija i metodika informatizacii obrazovanija (psihologo-pedagogicheskij i tehnologicheskij aspekty) [Theory and methodology of image informatization (psychological, pedagogical and technological aspects)] / I. V. Robert. M.: BINOM. Nobility Laboratory, 2014. 398 p. [in Russian]
  11. Syritsyna V.N. 3D-modelirovanie kak sredstvo razvitija poznavatel'nogo interesa k informatike v srednej shkole [3D modeling as a means of developing cognitive interest in computer science in high school] / V.N. Syricyna, O.E. Kadeeva // Fundamental'naja nauka i tehnologii – perspektivnye razrabotki. Materialy XXI mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii [Street – Fundamental science and technology are promising developments. Materials of the XXI intersectoral scientific and practical conference]. Appendix: L Press, Inc., 2020. – p. 19–22. [in Russian]
  12. Trubochkina N.K. Modelirovanie 3D-nanoshemotehniki [Modeling 3D-nanochemistry] / N.K. Trubochkina. - M.: My house. Nobility Laboratory, 2012. – 499 p. [in Russian]
  13. Van Doorn J. R. The quest for knowledge transfer efficacy: blended teaching, online and in-class, with consideration of learning typologies for non-traditional and traditional students / J. R. Van Doorn, J. D. Van Doorn // Front Psychol. 2014. Vol. 17, № 5. P. 324.