КОМПЬЮТЕРНЫЙ ПОДХОД К ПРЕПОДАВАНИЮ ИНЖЕНЕРНОЙ ГРАФИКИ В СТРОИТЕЛЬНОМ ВУЗЕ

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ПОДХОД К ПРЕПОДАВАНИЮ ИНЖЕНЕРНОЙ ГРАФИКИ В СТРОИТЕЛЬНОМ ВУЗЕ

Научная статья

Белавина Т.В.¹, Горская Т.Ю.^2, *

¹ ORCID: 0000-0003-3676-5227;

² ORCID: 0000-0001-7136-8388;

^{1, 2} Казанский государственный архитектурно-строительный университет, Казань, Россия

* Корреспондирующий автор (gorskaya0304[at]mail.ru)

Аннотация

Цель статьи выявить положительные стороны компьютерного подхода к обучению инженерной графикой студентов строительного направления. Для этого были проведены исследование на примере одной из графических работ, используя программу графического моделирования «AutoCAD 2019». Трем группам студентов было предложено выполнение графического задания: первая группа выполняла работу вручную, вторая моделировала на компьютере, третья сначала выполняла работу в графическом редакторе, а затем на бумаге вручную. Как показали исследования наиболее эффективное усвоение учебного материала по результатам сдачи графической работы было продемонстрировано третьей группой студентов. Тем самым показана целесообразность комбинированного подхода к освоению инженерной графики студентами строительного вуза.

Ключевые слова: преподавание в вузе, инженерная графика, среда AutoCAD. 

COMPUTER APPROACH TO TEACHING ENGINEERING GRAPHICS AT CONSTRUCTION UNIVERSITY

Research article

Belavina T.V.¹, Gorskaya T.Yu.^2, *

¹ ORCID: 0000-0003-3676-5227;

² ORCID: 0000-0001-7136-8388;

^{1, 2} Kazan State University of Architecture and Engineering, Kazan, Russia

* Corresponding author (gorskaya0304[at]mail.ru)

Abstract

The goal of this article is to identify the positive aspects of the computer-based approach to teaching students in the construction industry with engineering graphics. To do this, the authors conducted a study on the example of one of the graphic works using the “AutoCAD 2019” graphic modeling program. Three groups of students were asked to complete a graphic task: the first group did the work manually, the second group modeled on a computer, the third one did the work in a graphical editor, and then manually on paper. According to the results, the most effective assimilation of educational material based on the results of graphic work was shown by the third group of students. Thus, we have shown the feasibility of a combined approach to the development of engineering graphics by students of a construction university.

Keywords: university teaching, engineering graphics, AutoCAD environment. 

Постановка задачи

Одной из основных дисциплин подготовки специалиста строительного направления является «Инженерная графика», которую студенты, как правило, изучают в первом семестре. Однако освоение этой дисциплины осложняется рядом факторов. Во-первых, адаптация студентов к требованиям высшей школы. Во-вторых, отсутствие базовых знаний по черчению, так как в российских школах с девяностых годов от предмета «черчения» отказались. Согласно исследованиям, проведенным Вольхиным К.А., в каждой учебной группе до 80 % студентов приступают к изучению дисциплины с нуля [1]. В-третьих, преподавание школьной геометрии несколько отличается от преподавания инженерной графики.

Традиционное преподавание инженерной графики не приносим ощутимых результатов, поэтому в обучение внедряются современные методы обучения, информационные технологии [2], [3], это позволяет значительно упростить процесс усвоения студентами предмета.

Очевидно, что при изучении любого алгоритма начертательной геометрии требуется представить трехмерные модели, которые ранее демонстрировались на плакатах или вычерчивались на доске преподавателем, позднее их демонстрировали в виде слайдов или 3D-изображений, подготовленных на компьютере в среде AutoCAD. Однако студенты при этом являлись пассивными наблюдателями и процесс обучения не был так эффективен. Но современное состояние оснащенности учебного процесса компьютерной техникой позволяет студентам активно участвовать в процессе обучения, самостоятельно создавая иллюстрацию изучаемого материала [4].

Существует мнение, что начертательная геометрия будет не нужна с внедрением машинной графики. Однако эффективность использования машин однозначно зависит от знаний основ теории изображений и умения их использовать как в стадии разработки системных программ, так и в решении прикладных задач. Предметом начертательной геометрии является изложение и основание способов построения изображений пространственных форм на плоскости и способов решения задач геометрического характера по заданным изображениям этих форм. Студент, будущий инженер, не умеющий читать и разрабатывать чертеж на бумаге, не сможет осмысленно сделать это и на машине.

Поэтому очень важно сочетать вместе традиционные и компьютерные технологии. Компьютерных технологий должны упростить некоторые виды рутинной работы на занятиях по начертательной геометрии, а также способствовать реализации творческого потенциала студентов, дать им возможность с помощью современных технологии реализовать свои замыслы [5].

Следует также отметить, что на старших курсах для грамотного выполнения курсовых и дипломных проектов студентам также потребуются навыки владения компьютерной и инженерной графикой. Этим обуславливается актуальность эффективного изучения данной учебной дисциплины. Разрабатываются методики преподавания инженерной графики, учитывающие специфику вуза, с целью наилучшего усвоения этой дисциплины. Ведь в процессе выполнения задания по инженерной графике, студенты получают навыки по оформлению чертежей деталей, по созданию электронных моделей деталей в среде AutoCAD и работы со справочной литературой.

Актуальность эффективного изучения компьютерной графики очевидна. Покажем, как с помощью компьютерного подхода к преподаванию этой дисциплины и введением новых методик в преподавании будет обеспечено эффективное освоение дисциплины. Исследования проведены на примере выполнения одной из графических работ при использовании программы графического моделирования «AutoCAD 2019».

Результаты

Для исследования эффективного обучения студентов по дисциплине «Инженерная графика» была взята графическая работа «Пересечение поверхностей», для выполнения которой необходимо:

1. Знать основные законы геометрического построения и взаимного пересечения моделей плоскости и пространства.
2. Уметь воспринимать оптимальное соотношение частей и целого на основе графических моделей и представлять форму предметов и их взаимное положение в пространстве.
3. Владеть методами проецирования и изображения пространственных форм на плоскости.
4. Владеть навыками использования чертежных инструментов и компьютерных графических пакетов для построения двух и трехмерных геометрических моделей объекта.

Были взяты три группы студентов, каждой из которых было поручено выполнить пересечение двух поверхностей, а именно: цилиндра и половины шара, центры которых смещены друг от друга (рис.1).

Рис. 1 – Построение трех видов

 

При выполнении этого задания каждой группе нужно было его сделать разными методами: первой группе сделать чертеж вручную, второй группе – в программе AutoCAD, третьей группе сделать чертеж и вручную, и в графическом редакторе AutoCAD. Все три эпюра были проверены, приняты и оценены преподавателем согласно требованиям, предъявляемым к графической работе. В результате проделанной работы студенты трех различных групп получили разный опыт. Стоит учитывать также, что время, затраченное на выполнение одной и той же работы, существенно различались.

Отметим, что некоторым студентам легче сделать чертежи в программе AutoCAD, а тем студентам, которые владеют знаниями художественной базы или основами инженерной графики не сложно произвести пресечение поверхности вручную.

Итак, первая группа делала пересечение поверхности вручную. При выполнении работы вручную студент руководствуется алгоритмом решения задачи на пересечение поверхности (рис. 2). А именно:

- построив, заданные виды двух фигур, студентами были выбраны секущие плоскости;

- определены точки пересечения, критические точки.

- построена линия пересечения с учетом видимости.

Рис. 2 – Построение линии пересечения

 

Заметим, что построение пересечения полусферы с цилиндром некоторым студентам не составило труда, так как в результате пересечения получается окружность. Но если бы потребовалось найти пересечение поверхности конуса плоскостью, то это потребовало бы дополнительных построений, т.к. в сечении конуса образуется парабола. При этом надо было бы воспользоваться вспомогательными секущими плоскостями частного положения для определения промежуточных точек сечения конуса.

Вторая группа студентов выполняла работу в компьютерной программе AutoCAD. Логические операции AutoCAD позволяют создавать составные объекты, которые представляют собой новую, нестандартную форму 3D модели в результате слияния нескольких объемов. При выполнении работы на компьютере порядок решения задания отличается от работы вручную. Группа выполняла задание с помощью логической команды «Пересечение», которая позволяет выполнить построение 3D моделей в AutoCAD за счет вычленения объема, являющегося общим для двух или более пересекающихся объектов, расположенных в любых плоскостях. Команда «Пересечение» делит набор объектов на несколько отдельных поднаборов, объекты внутри каждого из которых проверяются на пересечение. Первый поднабор содержит все тела и поверхности из набора объектов. Во второй попадают первая из выбранных областей и все компланарные ей. В третий группируются первая область, некомпланарная областям из второго поднабора и все компланарные ей, и т.д.

Рис 3 – Построение пересечения в графическом редакторе AutoCAD

 

Третья группа студентов выполняла работу сначала вручную, затем в компьютерной программе AutoCAD. Зная алгоритм решения этих двух задач, они справились с этой работой без затруднения. Так как им нужно было сделать одну работу, но по-разному.

Но возможны случаи, когда студенту легче работать вручную. В таком случае выбор пути так же однозначен.

Следует отметить, что при использовании алгоритма построения линии пересечения, искомая линия на чертеже получается в виде множества точек. Через полученные точки нужно провести плавную кривую линию. Методы начертательной геометрии позволяют построить на чертеже только примерную линию пересечения. Это обусловлено следующим: Во-первых, при графическом построении точек возникает погрешность до двух миллиметров. Во-вторых, в начертательной геометрии не используют математические методы аппроксимации. Линия проводится «на глаз», по лекалам, поэтому кривизна линии дается с большой погрешностью. Таким образом, даже правильно использованный алгоритм не всегда даст точную, правильную линию.

Следовательно, при выполнении этого задания возможны ошибки двух видов:

- неверное применение алгоритма при построении точек, определяющих линию пересечения.

- общие точки рассматриваемых поверхностей построены верно, но неправильно проведена линия, проходящая через полученные точки с учетом погрешности построений.

При построении трехмерных моделей заданных поверхностей линия пересечения получается автоматически, в соответствии с алгоритмами компьютерной графики, заложенными в AutoCAD и не допускает погрешности построения линий при работе вручную.

Вместе с тем, при совмещении выполнения задания вручную и с помощью программы AutoCAD студент самостоятельно может проверять выполненное задание.

Выводы

Мы считаем, что графическая подготовка студентов технического вуза должна учитывать, что студенты первого курса, как правило, не готовы сразу приступить к изучению компьютерной графики, так как отсутствуют знания по построению и оформлению изображений. Выполнение части чертежей на бумаге с использованием традиционных чертежных инструментов является обязательным. Применение же трехмерной компьютерной графики в процессе обучения способствует более качественному усвоению основных понятий, методов, приобретению практических навыков и умений, развитию пространственного мышления. И как следствие, повышается эффективность самостоятельной работы студентов, улучшается качество выполненных домашних заданий и контрольных работ.

В ходе эксперимента по выполнению графической работы было установлено что, если студент знает основы работы в программе AutoCAD и обладает достаточной долей любознательности, выполнение задания пересечения поверхностей займет намного меньше времени, чем выполнение той же работы карандашом, здесь превосходство машинного выполнения задания однозначно. Однако, работа в программе AutoCAD невозможна без знания алгоритмов ее выполнения.

Таким образом, можно сделать вывод, что самым эффективным способом является построение детали в компьютерной программе, а затем, уже имея представление о ней, построение на листе бумаги. Благодаря данному способу студент может заранее представить модель детали и ему будет проще начертить ее на листе.

Заключение

Известно, что все технические сооружения – пространственные фигуры. Однако они проектируются, конструируются и изображаются на плоскостном чертеже. Современные технологии облегчают эту работу. Но не всегда есть возможность все сделать на компьютере или с помощью других информационных технологий. Также ценно для архитекторов и проектировщиков умение работать вручную.

Рассмотренный нами пример выполнения задания тему «Пересечение поверхностей», имеющий большое практическое значение не только для построения изображений изделий, но и для их производства, показал, что грамотное владение методами и алгоритмами инженерной графики легко позволят справиться с поставленной графической задачей вручную. Однако, компьютерные методы, а именно, работа в AutoCAD облегчает конструктору работу построения чертежей и сечений, тем самым расширяет возможности студентов – будущих проектировщиков.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Вольхин К. А. О состоянии графической подготовки учащихся в школе с позиции информационного подхода / Вольхин К. А., Пак Н. И. // Вестник Красноярск. гос. пед. ун-та им. В.П. Астафьева. Т. 1. Психолого-педагогические науки. 2011. № 3 (17) / Красноярск. гос. пед. ун-т им. В.П. Астафьева. Красноярск, 2011. С. 74-78.
2. Новик Н.В. Применение трехмерной графики при изучении курса начертательной геометрии / Новик Н.В. // Российский научный журнал. Автономная некоммерческая организация Рязанский институт экономических, правовых, политических и социологических исследований и экспертиз: Рязань, 2014. № 5 (43). С. 170-173.
3. Новик Н.В. Информационные технологии как средство повышения эффективности профессиональной подготовки инженера (на материалах дисциплины «Инженерная графика») / Новик Н.В. // Общество: социология, психология, педагогика. Краснодар: Хорс, 2016. № 8. С. 88-90.
4. Ширшова И. А. Современные подходы к формированию геометро-графической подготовки в технических вузах / Ширшова И. А., Мухина М. Л. [Электронный ресурс] // Научно-методический электронный журнал «Концепт ». - 2017. - № V - 0,3 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2017/171004. htm. (дата обращения:05.12.2019)
5. Таланова М.Б. Особенности преподавания инженерной и компьютерной графики / Таланова М.Б. // Балтийский гуманитарный журнал. Ассоциация «Профессиональные аналитики аутопойэйзисных систем (Тольятти) Калининград, 2015. №1(10). С. 146-148.
6. Головачева Л. И. Методика преподавания курса "ИНЖЕНЕРНАЯ ГРАФИКА" в Московском Государственном Техническом Университете имени Н. Э. Баумана / Головачева Л. И., Максутова Р. А., Федоритенко Н. А. // Педагогика. Вопросы теории и практики. Тамбов: Грамота, 2018. №2(10). С. 27-32.
7. Белавина Т.В. Решение задач по начертательной геометрии с использованием графического редактора Autocad. Материаы III Всероссийской научно-технической конференции молодых исследователей (с международным участием) "Актуальные проблемы строительства, ЖКХ и техносферной безопасности" 25-30 апреля 2016 г. / Белавина Т.В., Генералов Ф.Г. - С. 225-226.
8. Белавина Т.В. Сравнительный анализ методов обучения инженерной графике. / Белавина Т.В., Анисимов. В.С., Коваль О.В. // Тезисы докладов 70 Международной научной конференции по проблемам архитектуры и строительства 10-24 апреля 2018г.– Казань, 2018. – С. 131.
9. Притыкин Ф. Н. Преподавание графических дисциплин с учетом возможностей современных компьютерных технологий / Притыкин Ф. Н. // Омский научный вестник. Методика преподавания. Омск, 2012. №4 (111). С. 256-259

Список литературы на английском языке / References in English

1. Volkhin K. A. O sostoyanii graficheskoy podgotovki uchashchikhsya v shkole s pozitsii informatsionnogo podkhoda [On the state of graphic preparation of students at school from the perspective of the information approach] / K. A. Volkhin, N. I. Pak - Bulletin of Krasnoyarsk. state ped University of them. V.P. Astafieva. T. 1. Psychological and pedagogical sciences. 2011. No 3 (17) / Krasnoyarsk. state ped un-t them. V.P. Astafieva. Krasnoyarsk, 2011.P. 74-78. [in Russian]
2. Novik N.V. Primeneniye trekhmernoy grafiki pri izuchenii kursa nachertatel'noy geometrii [The use of three-dimensional graphics in the study of descriptive geometry course] / N.V. Novik - Russian Scientific Journal. Autonomous non-profit organization Ryazan Institute of Economic, Legal, Political and Sociological Research and Expertise: Ryazan, 2014. No. 5 (43). P. 170-173. [in Russian]
3. Novik N.V. Informatsionnyye tekhnologii kak sredstvo povysheniya effektivnosti professional'noy podgotovki inzhenera (na materialakh distsipliny «Inzhenernaya grafika») [Information technology as a means of increasing the efficiency of engineer training (based on the materials of the Engineering Graphics discipline)] / N.V. Novik / Society: sociology, psychology, pedagogy. Krasnodar: Horse, 2016. No. 8. P. 88-90. [in Russian]
4. Shirshova I. A., Mukhina M. L. Sovremennyye podkhody k formirovaniyu geometro-graficheskoy podgotovki v tekhnicheskikh vuzakh [Modern approaches to the formation of geometric-graphic training in technical universities] / I. A. Shirshova , M. L. Mukhina [Electronic resource] //- Scientific and methodical electronic journal “Concept”. - 2017. - No. V8. - 0.3 p.p. (accessed: 12.2019) [in Russian]
5. Talanova M.B. Osobennosti prepodavaniya inzhenernoy i komp'yuternoy grafiki [Features of teaching engineering and computer graphics] / M.B. Talanova - Baltic Humanities Journal. Association “Professional Analysts of Autopoiseisis Systems (Tolyatti) Kaliningrad, 2015. No. 1 (10). P. 146-148. [in Russian]
6. Golovacheva L. I. Metodika prepodavaniya kursa "INZHENERNAYA GRAFIKA" v Moskovskom Gosudarstvennom Tekhnicheskom Universitete imeni N. E. Baumana [Methods of teaching the course "ENGINEERING GRAPHICS" at the Moscow State Technical University named after N. E. Bauman] / L. I. Golovacheva , R. A. Maksutova , N. A. Fedoritenko // Pedagogy. Questions of theory and practice. Tambov: Diploma, 2018. No. 2 (10). P. 27-32. [in Russian]
7. Belavina T.V. Resheniye zadach po nachertatel'noy geometrii s ispol'zovaniyem graficheskogo redaktora Autocad [Solving descriptive geometry problems using the Autocad graphics editor]/ T.V. Belavina, F.G. Generalov - Proceedings of the III All-Russian Scientific and Technical Conference of Young Researchers (with international participation) "Actual problems of construction, housing and communal services and technosphere security" April 25-30, 2016 - P. 225-226. [in Russian]
8. Belavina T.V. Sravnitel'nyy analiz metodov obucheniya inzhenernoy grafike [Comparative analysis of teaching methods for engineering graphics]/ T.V. Belavina, V.S. Anisimov, O.V. Koval- Abstracts of the 70th International Scientific Conference on Problems of Architecture and Construction April 10-24, 2018 - Kazan, 2018. - P. 131. [in Russian]
9. Pritykin F. N. Prepodavaniye graficheskikh distsiplin s uchetom vozmozhnostey sovremennykh komp'yuternykh tekhnologiy [Teaching graphic disciplines taking into account the capabilities of modern computer technology]/ F. N. Pritykin // Omsk Scientific Bulletin. Method of teaching. Omsk, 2012. No. 4 (111). P. 256-259. [in Russian]