546 (Компьютер в преподавании курса Черчение)

Компьютер в преподавании курса "Черчение"

Введение

Ни одно из достижений науки и техники не вызывало такого длительного и мучительного поиска применений в процессе обучения, как персональный компьютер. Однако, скорость внедрения компьютеров в учебный процесс значительно отстает от темпов развития компьютерных технологий. Проникновение компьютеров в учебные классы и лаборатории (и не только в России) является в значительной мере стихийным процессом. Цели, поставленные в 1985 г. при введении нового для школы предмета “Основы информатики и вычислительной техники”, не достигнуты [2,3]. Успех в применении компьютерных технологий зависит прежде всего от того, как новые информационные технологии - ИТ помогут улучшить преподавание традиционных, хорошо обеспеченных методически, школьных предметов. На сегодняшний день новое программное обеспечение представляет собой , как правило, “радость разработчика” и не оказывает влияния на процесс обучения в средней школе. Именно эти факты позволили предположить, что первое реальное применение компьютер найдет в образовательной области “Технология” при изучении универсальных компьютерных технологий: текстовых редакторов, электронных таблиц, графических редакторов и в школьном предмете “Черчение”, т.к. машиностроительное производство идет по пути постепенного, но неуклонного развития автоматизированного производства. Ключевой проблемой образования при этом становится подготовка кадров, способных решать задачи производства современной сложной техники с использованием ИТ [4].

Изучение в школе языков программирования высокого уровня [5-8] определяется только аппаратным обеспечением и не имеет перспективы. При создании ПМК нужно было решить вопрос о выборе одной из систем автоматизированного проектирования - САПР. Этот вопрос и сейчас стоит перед теми, кто вводит курс компьютерной инженерной графики в школе и вузе [9]. Мы учитывали, что уже в 1983 году была адаптирована для ИБМ РС наиболее распространенная в мире САПР - AutoCAD фирмы Autodesk. Фирма Autodesk Inc. ведет активную политику по освоению новых рынков: программа адаптирована на 18 языков, используется в 88 странах. Цель фирмы - каждый будущий инженер должен стать пользователем AutoCAD. Популярность AutoCAD на мировом рынке объясняется и политикой фирмы, направленной на непрерывное развитие программных продуктов [10]. Опыт использования AutoCAD в вузовском курсе “Машинная графика” описан в [11].

Используемые зарубежные САПР не только не учитывают наши промышленные стандарты, но и предполагают дополнительную квалификацию пользователей. Многочисленные попытки адаптировать AutoCAD к нуждам отечественного конструктора привели к появлению множества новых систем различного качества, отличающихся друг от друга благодаря фантазии разработчиков, а следовательно, малоэффективными [12]. Кроме того, версии AutoCAD выше 10 рекомендованы для компьютера IBM PC 386.

В 1996 г. фирма Autodesk представила новую разработку - AutoCAD LT. Она создана для того, чтобы отобрать рынок у компаний, нашедших себе нишу в разработке недорогих двумерных графических редакторов САПР. Именно к этой категории относятся российские программы КОМПАС, T-Flex CAD, Графика 81, ADEM, СПРУТ, КРЕДО, Базис и др. Обзор российских САПР дан в [13]. Отметим, что раньше никто не видел написанных отечественных программ по причине секретности большинства из них [14].

При выборе САПР мы учитывали, что школы, оснащенных по “Пилотному проекту” имели класс IBM PS/2 без жестких дисков на ученических компьютерах. Анализ показал, что наиболее удобной для использования в школе является САПР КОМПАС, предназначенная для прямого проектирования в машиностроении.

Сформулируем требования, предъявляемые к учебной САПР [9], которым система КОМПАС удовлетворяет в полной мере: легкость и простота в изучении; возможность работать на недорогой технике; соответствие выпускаемой документации требованиям ЕСКД; использование современных технологий проектирования; достаточно широкое распространение; доступная цена; оперативность сопровождения и учета специфических потребностей учебного процесса, отсутствие серьезных ошибок, наличие перспектив у фирмы-разработчика. Отметим, что такие же требования предъявляются к САПР в реальном производстве [15].

КОМПАС - это КОМплекс Автоматизированных Систем для решения широкого круга задач проектирования, конструирования, подготовки производства в различных областях машиностроения. Разработан специалистами российской фирмы АО “АСКОН” (С.-Петербург, Москва и Коломна), которые прежде работали на предприятиях различных оборонных отраслей [14]. Одной из первых отечественных САПР явилась система КАСКАД, разработанная в 1986 г. в КБ машиностроения (Коломна). После анализа системы AutoCAD было принято решение о создании конкурентноспособной чертежной системы рассчитанной на IBM PC с процессором 80286 и обладающей такими свойствами, которые позволили бы ей стать популярной у пользователей: простота и эффективность, поддержка отечественных стандартов и ориентация на привычную технологию работы конструктора; достаточно узкая специализация; конструкторский интерфейс, позволяющий системе быть эффективным и удобным рабочим инструментом и в то же время настолько простой, чтобы обучение неподготовленного пользователя занимало не больше недели; невысокая цена, обеспечивающая доступность системы. С 1989 г. все программные продукты АО “АСКОН” стали выпускаться с названием КОМПАС. В 1991 г. был выпущен чертежно-графический редактор КОМПАС 4.0. Ядром комплекса является интерактивная графическая система КОМПАС-ГРАФИК. Именно она и была выбрана в качестве основы ПМК “Школьный САПР”.

Отметим, что в 1996 г. была представлена разработка [16, 17] КОМПАС 5.0 для Windows.

В 1992 г. АО “АСКОН” в 1992 г. разработал школьную дискетную версию системы, которая получила название КОМПАС-Школьник. Она сохранила основные черты профессиональной версии и занимает на системном диске 1,2 Мб. Сейчас школы могут с успехом использовать профессиональную версию КОМПАС-ГРАФИК. Аппаратные требования этой системы выглядят мизерными по сравнению с такой системой, как AutoCAD: компьютер IBM PC; 640 Кбайт оперативной памяти; графический адаптер EGA; дисковод 1,44 Мб; жесткий диск; мышь. Предпочтительнее компьютер 386DX. сопроцессор, видеоадаптер VGA и 2-4 Мб оперативной памяти. В установленном виде КОМПАС-ГРАФИК занимает на жестком диске 4,5 Мб.

ПМК был создан [18, 19] в результате научно-методического исследования, проведенного в 1991-1994 гг. в тесном содружестве с ВНИК “Технология” [20], одобрен в 1993 г. Главным управлением развития общего среднего образования министерства образования РФ и представляет собой реальное программно-методическое обеспечение образовательной области “Технология”. Идея создания ПМК была поддержана Компьютерным учебно-демонстрационным и информационно-издательским центром - КУДИЦ [21], который как научно-методический центр проекта “Пилотные школы” включил разработку ПМК “Школьный САПР” в программу информатизации образования.

В Московском базисном учебном плане по информатике и ИТ [22] подчеркнуто, что при включении в учебный план предпочтение отдается, как было предложено в [20], образовательным модулям по ИТ, предусмотрен дополнительный модуль “Системы автоматизированного проектирования”. Факультативный блок “Конструирование с помощью компьютера (CAD)” предусмотрен и рекомендациями ЮНЕСКО [23].

Сейчас около 300 школ России используют ПМК в курсе черчения, первые отклики преподавателей опубликованы, например, в [24-26]. Перспективность применения в преподавании САПР КОМПАС подтверждается публикациями [27-30]. Система с успехом используется и при проведении олимпиад по компьютерной геометрии и графике [31]. Среди более чем 550 пользователей системы КОМПАС (Россия, Украина, Белоруссия и другие страны СНГ) такие гиганты, как Ижорский завод, Саратовский авиационный, Ильичевский судоремонтный, Нижегородский автомобильный и Липецкий тракторные заводы, АвтоВАЗ, НПО им. Лавочкина, Светловодский и Рязанский pадиозаводы, КБ и учебные заведения. Продукты КОМПАС поддерживаются гарантийным и техническим обслуживанием в Киеве, Львове, Минске, Одессе, Hиколаеве, H.-Hовгоpоде, Hижнем Тагиле, Саpатове, Кpаснояpске, Севеpодвинске, Чебоксаpах, Муpоме, Яpославле и других городах России и СHГ.

Создана Ассоциация пользователей систем КОМПАС, в которую входят также и pазpаботчики пpиложений на основе программных средств "КОМПАС". Мы планируем создание аналогичной Ассоциации учителей и преподавателей, основная задача которой будет состоят в обобщении педагогического опыта, создания банка файлов чертежей для учебного процесса.

Опыт эксплуатации систем КОМПАС показал, что они легко осваиваются пользователем (независимо от возраста), значительно ускоряют процесс выпуска чертежной документации и заметно повышают ее качество. При этом достаточно легко решается проблема преодоления психологического барьера, особенно у пользователей солидного возраста, а ведь именно они владеют уникальными знаниями и опытом.

ПМК полностью обеспечивает создание полных компьютеризованных учебных курсов “Инженерная графика”, “Черчение”, “Детали машин”, “Теория машин и механизмов”, а также использование программных средств для выполнения лабораторных работ, курсовых и дипломных проектов в подготовке учителя технологии.

Программное обеспечение ПМК: чертежно-графический редактор КОМПАС-Школьник и учебная версия ОБРАЗ системы геометрического моделирования КИТЕЖ (НИИ механики НГГУ). В состав ПМК входят учебное пособие для учащегося (в 2-х частях), пособие для учителя (в 3-х частях), дискета с файлами чертежей и фрагментов. Основное назначение - компьютерная поддержка образовательной области “Технология”: школьного курса “Графика/Черчение”, технологии обработки конструкционных материалов с элементами машиноведения; раздела курса ОИВТ “Деловые применения ЭВМ”; курса “Геометрия”. ПМК с успехом может быть использован в средних специальных профессиональных учебных заведениях, на младших курсах вузов.

Составляющие ПМК

1. Чертежно-графический редактор КОМПАС-Школьник, сохранив основные черты профессиональной версии, обеспечивает:

• ввод геометрической информации с экрана дисплея компьютера при помощи клавиатуры и мыши;

• ввод элементарных графических элементов: отрезков, дуг, окружностей, фасок, скруглений, текста;

• ввод русских, латинских и греческих строчных и прописных букв, арабских и римских цифр, специальных символов (знаки диаметра, градуса и т.д.);

• выполнение вспомогательных построений: параллельных и перпендикулярных линий, касательных, сопряжений и т.п.);

• простоту и минимум действий при вводе составных чертежных элементов и элементов оформления чертежа: размеров (линейных, угловых, диаметральных и радиальных), штриховки, таблиц, знаков шероховатости и т.д.;

• полуавтоматическое заполнение граф штампа;

• редактирование изображения (сдвиг, поворот, копирование, зеркало и т.д.);

• использование фрагментов;

• увеличение изображений в окне и работа с ним;

• компоновку видов на чертеже;

• выдачу чертежа на принтер любого типа или графопостроитель

• и многое другое, что облегчает работу конструктора и позволяет достичь высокого качества выполняемых чертежей.

Первый экран редактора - экран архива чертежей и фрагментов, который очень напоминает популярную оболочку Norton Commander. Такой подход облегчает освоение системы. Чертеж в редакторе строится из отдельных частей, названных, к сожалению, не очень удачно видами. Чтобы начать чертить, нужно в следующем экране - экране работы с чертежом создать новый вид. В одном виде можно сгруппировать все те элементы чертежа, которые логически связаны друг с другом. Основным для работы является экран работы с видом.

2. Программа ОБРАЗ ( учебная версия системы геометрического моделирования КИТЕЖ, разработанной в НИИ механики Нижегородского государственного университета) предназначена для создания моделей пространственных твердотельных объектов. Входной информацией системы являются три вида в системе прямоугольных проекций, удовлетворяющих определенным требованиям. Восстанавливаемый объект не должен иметь поверхности более сложные, чем плоскость, цилиндр, конус. Если в объекте есть грани, у которых внешний контур имеет самопересечение или несколько внутренних контуров, имеют общие точки, то такие объекты не рекомендуются для восстановления. Проекции могут содержать только отрезки прямых, окружности и дуги окружностей. При этом все линии, независимо от их видимости, должны быть одного типа - сплошные. Можно использовать штриховые линии, программа восстановления превратит их в сплошные. Проекции должны содержать только геометрическую информацию. Элементы оформления чертежа (оси симметрии, размеры, надписи и т. п.) не используются.

ОБРАЗ позволяет методом чтения чертежа создать два вида пространственных геометрических объектов: каркасную (проволочную) модель (при этом невидимые линии могут быть удалены) и объемное тело.