Профессиональные авторские методики обучения компьютерно-графическому моделированию для участников передовой инженерной школы

1. Введение

Задача подготовки специалиста с высшим инженерным образованием сегодня является приоритетной и широко обсуждается на различных платформах. Одна из последних крупных инициатив – внедрение в технических вузах РФ федерального проекта «Передовые инженерные школы» [далее: ПИШ]. Профессор В.И. Шевченко, ректор НИЯУ МИФИ, в начале 2022 г. связал этот проект с востребованностью мер по трансформации системы обучения профильных кадров: «Серьёзное повышение уровня подготовки отечественных инженерных кадров – одна из важнейших задач, которая стоит перед современными инженерно-техническими вузами» ^[1]. Серьезный шаг со стороны правительственных кругов был сделан в апреле 2022 г. В Постановлении Правительства РФ № 619 было объявлено о мерах государственной поддержки программ развития ПИШ ^[2]. С целью их реализации был создан Совет по грантам на оказание государственной поддержки создания и развития ПИШ. В конце июня 2022 г. Совет по итогам рассмотрения конкурсных заявок от научно-образовательных организаций отобрал первые 30 вузов-победителей из пятнадцати субъектов РФ, которым было решено выделить гранты на создание передовых инженерных школ. Более 40 крупных высокотехнологических предприятий выразили заинтересованность в участии в федеральном проекте. «Инженерные школы сократят путь молодого специалиста от получения теоретических знаний к практике, ‒ заметил председатель Совета В.Н. Фальков. ‒ Уже сейчас понятно, насколько востребована эта работа» ^[3]. Пермский Политех вошел в перечень вузов, где развернулась работа по организации ПИШ (направления «Двигателестроение», «Искусственный интеллект и цифровые технологии»).

Опираясь на собственный педагогический опыт, в рамках данной статьи выскажем мнение о тех рисках, которые следует учитывать творческим коллективам инженерных школ в процессе достижения целевых показателей при реализации пилотных образовательных программ в рамках ПИШ.

Ещё в начале XXI в. владение навыками компьютерно-графического моделирования на уровне уверенного пользователя признавалось ключевой компетенцией инженера будущего ^[4]. У ведущих исследователей сложилось твердая позиция, что данные умения развиваются, опираясь в первую очередь на теоретические основы инженерной геометрии (графики) и практико-ориентированную геометро-графическую грамотность студента ^[5]. Вместе с тем, начертательная геометрия как учебная дисциплина за последние несколько лет стремительно утрачивает самостоятельность и становится частью направления инженерной и компьютерной графики. Конечно, с одной стороны, это продиктовано активным внедрением методов и технологий в производстве промышленно изготовляемой продукции, основанной на прикладных умениях качественного трехмерного моделирования (рис. 1). Однако, процесс «перевода» чертежей технических изделий, выполненных вручную, в 3D-модели со связанной сопроводительной документацией, до сих пор ведется на ряде ведущих промышленных предприятий РФ. Соответственно, умение работать с чертежом («чтение чертежа») останется востребованным в среднесрочной перспективе.

Рис. 1. Приоритеты в изготовлении изделий в производственной сфере

С другой стороны, выпускник передовой инженерной школы в плане компьютерно-графической подготовки должен обладать рядом специальных компетенций, продиктованных современными требования развития производства, а именно:

· сложное поверхностное моделирование;

· визуализацию и презентацию изделия, его цифрового двойника;

· способы аддитивного производства и подготовка модели к такому производству;

· параметризация и программирование в 2D- и 3D-проектировании, как возможностях оптимизации процесса конструирования;

· дизайн и инжиниринг.

Подобные умения становятся универсальными и должны совершенствоваться в ходе учебных занятий в рамках профильных дисциплин, включая «Инженерную геометрию и компьютерную графику». При этом развитие данных умений целесообразнее всего осуществлять в рамках как аудиторной, так и внеаудиторной учебной деятельности. Следует отметить, что высококвалифицированный преподаватель обязан своевременно реагировать на внешние запросы, быть в курсе внедряемых промышленных технологий и цифровизации производств (рис. 2). Он должен уметь подобрать методические «инструменты» таким образом, чтобы сочетание традиционных методик, отвечающих за теоретическую подготовку, было непосредственно связано с прикладными производственными практиками реального времени.

Помимо обсуждения данной проблематики при разработке и реализации пилотных образовательных программ, индивидуальных научно-образовательных траекторий и исследовательских проектов необходимо иметь в виду внешние вызовы (риски), обусловленные текущими социально-экономическими процессами.

Рис. 2. Взаимодействие «Студент, преподаватель, работодатель» в цифровом формате

2. Содержательные характеристики «внешних» вызовов.

Вызов 1. Пространственное мышление обучающихся как маркер готовности к освоению дисциплин компьютерно-графического направления

Учебная и научно-исследовательская деятельность студента предполагает развитость пространственного мышления. Формирование данных способностей закладывается ещё в формате школьного образования, в частности предметно на учебных занятиях по стереометрии, черчению, в виде факультативных занятий, технологии по направлению «Технический труд». Опираясь на ФГОС среднего общего образования (10‒11 кл.), выделим предметные результаты освоения курса математики, отвечающие за подготовку абитуриента к изучению инженерной геометрии и компьютерной графики:

· владение основными понятиями о плоских и пространственных геометрических фигурах, их основных свойствах;

· сформированность умения распознавать на чертежах, моделях и в реальном мире геометрические фигуры;

· применение изученных свойств геометрических фигур и формул для решения геометрических задач и задач с практическим содержанием ^[6].

Подчеркнем, что указанные требования не отражены в профильном уровне освоения учебного предмета, а заявлены только в базовом. Однако, результаты выполнения заданий ЕГЭ № 14, № 16, нацеленные на проверку умения выполнять действия с геометрическими фигурами, координатами и векторами (уровень заданий повышенный, но не высокий) составляют минимальный процент и кардинально не меняются по данным 2020 ‒ 2021 гг. (табл. 1) ^[7].

Таблица 1

Сведения о результатах ЕГЭ по математике (раздел геометрии)

Таким образом, компетенции школьника, демонстрирующие навыки работы с объектами в пространстве, на которые непосредственно опирается компьютерное моделирование, неизменно остаются на низком уровне, что сказывается на качестве обучения студента в высшей школе.

Одним из перспективных направлений совершенствования методик преподавания дисциплин, нацеленных на представление окружающей действительности, систем трехмерных моделей, является визуализация учебного материала, интерактивное взаимодействие с объектом ^[8]. Перечислим доступные программные продукты, которые используются в средней школе для обучения стереометрии: Geogebra, Живая Геометрия, Geometry Expressions, SketchUp, Математический конструктор и др. Специализированные редакторы трехмерного моделирования, предназначенные для учебной и профессиональной деятельности: Маthcad, Autocad, 3DS Max, Компас 3D, T-flex и пр. В учебных целях программы позволяют создавать, трансформировать, комбинировать, измерять, строить сечения трехмерных объектов, сохраняя при этом его реалистичное представление.

Вызов 2. Импортозамещение как обязательный фактор обновления производственной и образовательной среды

Ключевым показателем эффективности как производственной, так и образовательной сферы на сегодняшний день является импортозамещение используемого программного обеспечения. Б.А. Бурняшов, ведущий специалист в области права интеллектуальной собственности, ещё в 2019 г. обращал внимание на то обстоятельство, что «рынок отечественного ПО остаётся очень узок», и российские фирмы-разработчики ПО в отличие от зарубежных коллег не рассматривают затраты на продвижение своих коммерческих продуктов в образовательные учреждения как долгосрочные инвестиции ^[9]. Поддержим точку зрения исследователя о необходимости, прежде всего, осуществить переход на отечественное программное обеспечение в рамках проведения со студентами лабораторных работ и практических занятий. Действительно, в повестке работы кафедр технических вузов ключевыми являются вопросы о внесении тем по изучению отечественного ПО в рабочие программы учебных дисциплин, об обеспечении разработки учебной и научно-методической литературы по работе с отечественным ПО. С точки зрения автора методика организации образовательного процесса по дисциплине «Инженерная геометрия и компьютерная графика» в Пермском Политехе соответствует запросам подготовки как «передовых» инженеров, так и бакалавров-технарей. Так в ходе лабораторных работ, предусмотренных учебным планом, происходит формирование навыков компьютерного моделирования у студентов в САПР Компас-3d (российская компания «Аскон»). При этом содержание практических и проектных заданий отвечает современному технологическому запросу о значимости цифровой 3d-модели и позволяет сформировать особые, отличные от традиционных, умения и навыки, составляющие основу креативного «инженерного» мышления ^[10].

«Природа» обозначенных выше вызовов, безусловно, различна. Тем не менее, каждый из них оказывает непосредственное (внутреннее и внешнее) влияние на процессы обучения студентов. Решение этих вопросов не может быть линейным. Применение педагогических технологий вкупе с современными программными разработками способно обеспечить формирование профессиональных компетенций будущего инженера. Продемонстрируем ряд треков, раскрывающих опыт работы авторского коллектива, как возможный вариант логичного ответа на вышеуказанные «вызовы».

3. Треки: авторские практики и методики

Трек 1. САПР для образовательной деятельности: условия выбора и технологии обучения

Изучение систем автоматизированного проектирования (САПР) в освоении студентами компьютерно-графических дисциплин закреплено в рабочих программах учебных дисциплин вузов. В современных условиях чаще ставится вопрос о выборе (смене) программного продукта, введении альтернативной системы проектирования. Приведем в качестве примера требования, предъявляемые к компьютерным программам специалистами Башкирского государственного аграрного университета ^[11]:

1. простота интерфейса;

2. удобство работы в программной среде;

3. техническая возможность и оснащенность материальной базы факультета;

4. возможность приобретения лицензии по льготному тарифу;

5. наличие русифицированной версии программы;

6. поддержка основных ГОСТ при выполнении чертежей;

7. возможность выполнять 3D-модели деталей.

Проанализируем данные требования для описания и выбора современной САПР с точки зрения их востребованности при подготовке «передового» инженера:

Простота интерфейса и удобство работыявляются достаточно субъективными факторами, исходя из того, что современные студенты (абитуриенты) в большинстве своем имеют достаточный опыт работы в электронных средах и вполне адаптивны к новым программным продуктам;

Наличие русифицированной версии программы на данный момент также не является показательным по ряду причин, среди которых отсутствие лингвистических барьеров и практические навыки работы у обучающихся в иноязычных ресурсах. Указанное требование в современных условиях целесообразно переопределить на показатель происхождения ПО с акцентом на отечественный продукт;

Возможность приобретения лицензии по льготному тарифу для образовательных учреждений зачастую действительно предполагается разработчиками ПО, что в свою очередь способствует наращиванию технических возможностей и оснащенности материальной базы факультетов. Партнерские отношения между разработчиком, образовательной организацией и производством являются взаимовыгодными в плане распространения программных продуктов, обучения (подготовки, переподготовки) сотрудников;

Типичные поддержка основных ГОСТ при выполнении чертежей; возможность выполнять 3D-модели деталей в современных условиях следует дополнить рядом новых характеристик:

· параметризация (доступность параметризации цифровой модели изделия, простота организации диалога с пользователем, элементы программирования), возможность программирования;

· кинематика (моделирование кинематики пространственной модели изделия, простота организации, различные виды движения объекта, запись и демонстрация анимации);

· экспорт цифровой модели изделия в среду VR (полнота и качество отображения, возможность взаимодействия и редактирования, воспроизведение анимации).

Значимым параметром при выборе САПР является востребованность полученных умений проектирования модели изделия при трудоустройстве.

Отметим, что критерии выбора программ для вуза, безусловно, отличаются от требований предприятий, внедряющих САПР для организации (или обновления) производства. Так, важнейшим фактором на сегодняшний день выступает возможность организации полного жизненного цикла изделия. С помощью педагогических технологий в вузе у студентов должно формироваться представление об этих процессах и роли и этапах компьютерного моделирования в реальной производственной среде.

В свою очередь выделим основные направления в организации учебного процесса с привлечением САПР. Используемый программный комплекс ‒ Компас-3D (российская компания «Аскон») – применяется для выполнения лабораторных работ и индивидуальных практических заданий, предусмотренных рабочей программой дисциплины «Инженерная геометрия и компьютерная графика» (табл. 2). Констатируем, что профессиональные компетенции студентов (в т.ч. трехмерное моделирование) невозможно сформировать без применения систем автоматизированного проектирования.

Таблица 2

Раздел рабочей программы «Инженерная геометрия и компьютерная графика»

Однако педагогические технологии должны быть нацелены не только на формирование стандартных наборов компетенций компьютерно-графической подготовки обучающегося, но и привлекать «сопутствующие» методики для понимания прикладных производственных задач или реальных условий применения работы. Например, применение технологии виртуальной реальности позволяет организовать в малой студенческой группе системную деятельность исследовательского, научного и методического характера. Работа со школьниками, студентами, магистрантами в ПИШ требует пересмотреть учебные программы, включить проектную, творческую, практико-ориентированную составляющую, организовать преемственность разработок с другими инновационными центрами.

Для решения поставленных задач требуется привлечения новых программных продуктов. На основе перечисленных выше требований к компьютерным программам выбор был остановлен на системе T-flex CAD и ее встроенного модуля T-flex VR от российского производителя – компании «Топ Системы». Стоит отметить довольно «осторожное» отношение специалистов-практиков в области преподавания инженерной геометрии к данной программе. Выразим мнение, что формирование базовых навыков проектирования в программах Компас-3D и T-flex CAD основано типовых приемах 3D-моделирования, создания сопроводительной документации. Так, принципы моделирования в обоих пакетах соответствуют давно зарекомендовавшим себя способам (типа, «выталкивания», «выдавливания», «экструдирования»), «логика» связи модели и ее чертежа в электронном варианте общепонятна студентам. Однако, видение перспективности использования таких возможностей, как параметризация, визуализация, анимация, производственный анализ изделия, разнообразие приложений, с учетом «условной» простоты и понимания принципов работы программы, особенно выделяет T-flex среди остальных российских САПР.

На данный момент авторским коллективом ведется работа по обновлению и внедрению учебно-методического комплекса дисциплины «Инженерная геометрия и компьютерная графика» на основе САПР T-flex CAD. Продемонстрируем ряд авторских педагогических инициатив, которые удалось выявить на сегодняшний день в направлении проводимой работы.

Трек 2. Виртуальная реальность для инженерной и компьютерной графики

Оправданно востребованной тенденцией в современном образовании является привлечение виртуальных технологий в учебный процесс. Возможности виртуальной реальности в рамках преподавания дисциплины «Инженерная геометрия и компьютерная графика» также нацелено на преодоление внешних «вызовов» и формирование профессиональных компетенций обучающихся.

1) Пространственное мышление – устранение «пробелов». Обеспечение наглядности, эффекта присутствия, возможность вручную взаимодействовать с трехмерными объектами (точка, прямая, плоскость) реализуется в виртуальном пространстве, компенсируя тем самым пробелы школьного уровня (непонимание стереометрии, отсутствие черчения и т.п.). Так, в ходе опроса «Использование VR-технологий в курсе инженерной геометрии и компьютерной графики», проведенного в октябре 2021 г., среди студентов 1-2 курса различных факультетов Пермского Политеха, было выявлено, что большинство обучающихся (53%) хотели бы поработать с предложенными объектами моделирования в среде виртуальной реальности до начала выполнения лабораторной работы;

2) Начертательная геометрия – метод «вживую». Модуль начертательной геометрии обязательно присутствует в программе дисциплин инженерно-компьютерной грамотности. Из года в год для студентов он вызывает затруднения и недопонимание. Виртуальная реальность в таком случае выступает своеобразным «мостиком», позволяя вывести в пространство 2D-построения, произвести необходимые измерения, обосновав (для себя) правильность этапов решения позиционной задачи. Вышеуказанный опрос также показал, что использование VR-среды поможет в понимании дисциплины «Инженерная геометрия и компьютерная графика» (76%), а около 85% обучающихся хотели бы ввести в содержание дисциплины прикладной компонент, основанный на технологии виртуальной реальности;

3) Равные возможности – работа в команде. Речь идет об уровне подготовки студента на момент поступления в вуз. Действительно, входящий контроль по дисциплине определяет разноуровневые показатели знаний студентов, обучающихся в одной группе. Вчерашний школьник, освоивший программу дополнительного образования в кванториумах, IT-центрах, цифровых лабораториях, более компетентен, чем его сокурсник, обучающийся в традиционном формате. Объединяя разноуровневых студентов для подготовки общего VR-проекта, формируется важнейшая компетенция – проектная работа в команде;

4) Разработка собственного VR-контента. Одной из важнейших проблем обеспечения образовательного процесса является приобретение и/или разработка обучающих программных продуктов определенной тематики. Самостоятельное проектирование учебных моделей и размещение их в среде виртуальной реальности, манипуляции с ними являются необходимыми компетенциями современного инженера. Заметим, что комплекс программ T-flex позволяет реализовать данные задачи в полном объеме;

5) Предпрофессиональная деятельность. Одно из актуальных направлений применения технологий виртуальной реальности – аэрокосмическая и авиационная отрасли промышленности (виртуальные тренажеры, анализ и сборка моделей, демонстрация продукта). Аэрокосмический факультет ПНИПУ заинтересован во внедрении данных технологий. Погружение студентов в подобные формы работы на начальных этапах образования поможет им в освоении специальных дисциплин в дальнейшем.

Трек 3. Виды учебной работы студента по дисциплине «Инженерная геометрия и компьютерная графика» с применением T-flex VR

Процесс внедрения технологий виртуальной реальности в учебный процесс по дисциплине «Инженерная геометрия и компьютерная графика» предусматривает корректировку учебных программ. Предварительный анализ выявил возможность применения на всех видах занятий: лекция, практическая и лабораторная работа. Платформа для работы – T-flex VR. В таблице 3 приведены темы и виды учебных занятий, выбранных для освоения тех или иных команд, доступных в системе виртуальной реальности.

Таблица 3

Инструментарий Т-flexVR для применения на учебных занятиях

Подчеркнем, что демонстрация моделей в среде T-flex VR осуществляется для самостоятельно разработанных студентом учебных образцов деталей в T-flex CAD. Уточним, что в приоритете, естественно, находится последовательность изложения учебного материала ^[12]. В таблице 3 не указаны базовые команды, такие как «скрыть/показать объекты», «взять объект», «перемещение» («полёт»). Их применение в учебной виртуальной геометрической модели очевидно.

4. Заключение

В текущих условиях цифровой трансформации подготовка кадров в рамках ПИШ требует пересмотра и обновления методико-дидактической базы, материального фонда, устойчиво-регулярных партнерских отношений с высокотехнологичными предприятиями. Развитие профессиональных компетенций преподавателей в контексте цифровизации системы образования становится частью педагогической работы. Опираясь на собственные результаты научно-методической работы, выделим ряд принципов, поделив их на общие (применяемые для организации образовательного процесса) и специальные (характерные для подготовки специалистов технического профиля в направлении моделирования).

Общие принципы:

1. Адаптация классических теоретических научных положений в электронный формат (презентация, видео уроки); MS Power Point, MS Teams, Zoom, BigBlueButton и др.

2. Изменение форм и форматов проверки работ (системы тестирования, стоковые папки, социальные сети); Moodle, Тest IT, Telegram и др.

3. Систематизация учебных ресурсов образовательной программы в единый цифровой контент; Moodle, MS Teams.

Специальные принципы:

1. Взаимодействие с предприятиями и работодателями, отслеживание важности прививаемых компетенций, их прикладной характер. Своевременная корректировка учебных заданий.

2. Создание на базе кафедр центров компетенций

3. Освоение и применение современных технологий в рамках учебных программ основного и дополнительного образования (технологии VR, аддитивные технологии).

4. Привлечение различного оборудования для организации и демонстрации учебных приемов (например, голографический куб). Применение такого инструментария на занятиях по инженерной геометрии позволит обеспечить наглядность изучаемого материала, а эффект присутствия и взаимодействия с цифровым двойником объекта позволит закрепить и запомнить изучаемые свойства

5. Комбинирование традиционных и инновационных методик работы. Например, кейс-задание для выполнений в групповом формате в рамках УД «Инженерная геометрия и компьютерная графика». Примером подобной практики может служить форма работы, имитирующая конструкторское бюро, при которой студенты распределяют роли (инженера, конструктора, моделлера, визуализатора) и осуществляют поэтапную разработку учебного конструкторского изделия. Интересен опыт применения STEAM-технологий при обучении компьютерному моделированию, где на основании сформулированной проблемы студенты разрабатывают варианты устройств или приспособлений для решения поставленной задачи. В рамках направления компьютерного моделирования этапы данной разработки включают: идею, чертеж, цифровую модель, сопроводительную документацию, производство изделия методом аддитивных технологий, апробацию, рефлексию.