Использование компьютерного моделирования AUTOCAD в образовательном процессе для студентов технических направлений вуза

Введение 

Одной из важнейших особенностей современности является широкое использование математических методов в различных областях человеческой деятельности. Широкое и быстрое использование математических методов в науке и технике, экономике и других областях стало возможным после появления и быстрого совершенствования электронных машин. Это привело к формированию современной прикладной математики, включающей широкий круг смежных вопросов, связанных с применением математических методов при решении различных практических задач.

Благодаря математическому и компьютерному моделированию достигнуты большие успехи в естественных и гуманитарных науках. Действительно, подтверждаются слова К. Маркса. По его мнению современная наука достигнет своих высших высот только в том случае, если она сможет широко использовать математику.

Компьютерная геометрия или архитектура строительства – одна из основных отраслей народного хозяйства, обеспечивающая создание новых объектов, расширение и реконструкцию действующих основных фондов. К основным профилирующим видам деятельности инженеров строительных специальностей, в которых их профессиональный образовательный потенциал может быть реализован наиболее полно, относятся производственно-технологическая и проектно-конструкторская деятельность. Оба вида деятельности связаны со сбором и анализом графической информации, разработкой документации к ней. 

Процесс изучения дисциплины «Инженерная и компьютерная графика» и начертательная геометрия для студентов архитектурных, инженерно-строительных специальностей направлен на формирование следующих компетенций: 

• владение основными законами геометрического формирования, построения и взаимного пересечения моделей плоскости и пространства, необходимыми для выполнения и чтения чертежей зданий, сооружений, конструкций, составления конструкторской документации и деталей.

Профессиональное, углублённое и качественное понимание учебного процесса и ее содержания можно достичь, в том числе, организуя небольшие элементы исследовательской работы, что подчеркивают авторы А.Л. Королев и Паршукова [1, с. 115], Е.А. Пермин и В.А. Тестов [2]. Вместе с этим весьма актуальным вопросами является использование и применение на учебных занятиях высшей математики в том, числе в техническом вузе компьютерного моделирования или компьютерной математики Maple 18 [3, c. 857-865]. Например, И.Н. Симонова [4] рассматривает вопросы формирования и развитие профессиональной компетентности студентов в условиях информационно-экологической образовательной среды технического вуза, И.А. Вархушева [5] исследует формирование математической направленности студентов технического вуза в процессе профессиональной подготовки [6, c. 83-98; 7, c. 132-143].

Целью исследования является в получении знаний, умений и навыков студентов для выполнения и чтения чертежей зданий, сооружений, и деталей конструкций и составления конструкторской документации том числе и с помощью компьютерного моделирования AutoCad. 

Материалы и методы исследования 

При подготовке данной работы были использованы следующие методы: теоретико-методологический анализ, анализ и сравнение данных, обсуждение, теоретические материалы, компьютерный анализ данных. Для решения одной задачи т.е. одного геометрического чертежа можно использовать несколько компьютерных программ, в том числе программу AutoCAD, чтобы процесс изучения предмета был интересным и более понятным для студентов технических специальностей. 

Результаты исследования и их обсуждение 

Инженерная графика, начертательная геометрия и математика играют ключевую роль в образовании будущих специалистов в технических вузах. Без глубокого понимания этих предметов невозможно достичь высокой квалификации в области технических наук. В прошлом основной акцент в изучении начертательной геометрии был сделан на ручном методе выполнения чертежей, что требовало значительных временных затрат и усилий со стороны студентов. Однако внедрение компьютеров в учебный процесс привело к значительному упрощению этой задачи.

Выпускники технических вузов должны обладать навыками работы с графическими системами, такими как AutoCAD, которые позволяют создавать чертежи и трехмерные модели. Это привело к необходимости включения компьютерной графики в учебные программы по инженерной графике и математике для инженеров. 

Основная цель изучения компьютерной графики заключается в том, чтобы студенты освоили работу с программными пакетами, методы компьютерного черчения и создания графической документации [8, с. 32-40; 9].

Работа на компьютере должна быть построена так, чтобы студенты не просто изучали графический пакет, программу или же как информатику (AutoCAD и др.), а продолжали изучение начертательной геометрии начертательной геометрии и другие технические предметы при этом понимая ход построения и добиваясь правильного конечного результата. Процесс обучения необходимо организовать параллельно, разумно сочетая ручное и компьютерное выполнение чертежей, с целью эффективного понимания материала. При этом приходится преодолевать ряд сложностей, связанных с уменьшением количества часов, отведенных на изучение дисциплины, и стремлением не проиграть в решении педагогических задач, то есть суметь развить пространственное и логическое мышление студентов до необходимого уровня. Большинство студентов мотивируют свое нежелание работать карандашом на бумаге тем, что черчение у них в школе не велось, и многие не могут отложить отрезок правильной величины на формате. Исходя из этого сначала надо выполнить чертеж на формате используя ручную графику, а потом использовать компьютерную графику. Так, например, задача: построить плоскость в системе AutoCad параллельную заданной на расстоянии 60 мм (рис.1).

В процессе изучения программа AutoCad дает возможность в упрощении выполнения графической части работ и понимания студентов в оформлении решенных задач. Компьютерная программы AutoCad дает возможность связать другие технические предметы. Параллельное использование ручного и компьютерного методов выполнения чертежей помогает студентам лучше понимать материал и развивать пространственное и логическое мышление. 

Компьютерная графика может вообще быть подспорьем в любой дисциплине, например, в математике, потому что жестко укладывается в рамки стереометрии. Все задачи, возникающие в курсе стереометрии, могут быть иллюстрированы средствами трехмерной графики. Наиболее простые иллюстрации – рисунки к теоремам, аксиомам. Широчайшие возможности перед пользователем открывают так называемые составные объекты. Они выполняются на основе логических операций сложения, вычитания. Так, например, можно быстро нарисовать сегмент шара. Наконец, комбинирование внедрения в рисунок разного рода геометрических тел с методами выравнивания, применения текстур (особенно свойства прозрачности) может послужить хорошей базой для иллюстрирования условий стереометрических задач. Стоит упомянуть, что и в физике очень много процессов, которым невозможно соорудить модель, либо в природе они происходят слишком медленно или быстро, либо слишком малы или большие в размерах. А ведь решение этой проблемы – главное преимущество компьютерного моделирования. Неоценима роль технологий интерактивного трехмерного представления объектов в процессе обучения – для понимания студентами ключевых понятий и наиболее трудных мест стереохимии, кристаллохимии и биохимии.

Самостоятельная работа в обучении компьютерному моделированию, на наш взгляд, обладает большими ресурсами. Курс по компьютерной графике может включать разнообразные виды заданий для самостоятельной работы студентов: 

1. Создание иллюстрации в векторном графическом редакторе. Студентам может быть предложено разработать иллюстрацию с использованием инструментов векторной графики, таких как Adobe Illustrator или CorelDRAW. Задание может включать создание логотипа, плаката, иконки или другого графического элемента.
2. Редактирование и обработка фотографии в растровом графическом редакторе. Задание может состоять в том, чтобы студенты использовали программы, такие как Adobe Photoshop или GIMP, для обработки и улучшения цифровых изображений. Это может включать коррекцию цветов, ретушь, наложение эффектов и т. д.
3. Создание анимации. Студентам может быть предложено создать простую анимацию с использованием инструментов компьютерной графики, таких как Adobe Animate, After Effects или других программ для создания движущихся изображений.
4. Разработка 3D-моделей. Задание может включать создание трехмерной модели объекта или сцены с использованием программ для 3D-моделирования, таких как Affinity Designer: Inkscape Autodesk Maya.
5. Создание дизайна интерфейса. Студентам может быть предложено разработать дизайн пользовательского интерфейса для мобильного приложения, веб-сайта или программного продукта, используя принципы композиции, цвета, типографики и другие элементы компьютерной графики.

Полагаем, что такие задания могут помочь студентам применить полученные знания и навыки в области компьютерной графики на практике, развить свою креативность и подготовиться к будущей профессиональной деятельности. 

С целью успешного руководства и результативности самостоятельной работы преподавателю необходимо применять в своей деятельности разные типы работ:

• разработка виртуальных прототипов;
• симуляция физических или технических процессов, таких как теплопередача, динамика жидкостей, механические движения, с использованием специализированных программных средств; 
• создание анимации: объектов, персонажей, сцен или пространственных визуализаций с использованием программ для 3D-анимации и визуализации;
• работа с инженерными проектами: разработка виртуальных моделей инженерных систем, технологических процессов, архитектурных или конструкторских решений, что поможет студентам в дальнейшем применить полученные знания на практике;
• визуализация математических концепций: создание визуализаций математических объектов и концепций, таких как графики функций, поверхности, геометрические фигуры.

Руководство преподавателя самостоятельной работой студентов включает в себя направление студентов, оказание помощи путем индивидуальных и групповых консультаций, проверку качества продуктов, подготовленных студентами.

Заключение

            Перспективными направлениями продолжения исследования автор данной статьи видит изучение оценки влияния компьютерного моделирования на учебный процесс. Исследование может включать анализ результатов использования AutoCAD на занятиях математики и начертательной геометрии среди студентов технических направлений, изучение уровня понимания материала, повышение мотивации студентов, улучшение визуализации пространственных и геометрических концепций и других аспектов. Это поможет выявить плюсы и минусы использования компьютерного моделирования в учебном процессе, проанализировать результаты обучения студентов, использующих компьютерное моделирование в AutoCAD, с теми, кто изучает математику и начертательную геометрию традиционными методами.