CC BY
103
Бокарев Сергей Александрович
Bokarev Sergey Aleksandrovich Сибирский государственный университет путей сообщения
Siberian State Railway University д-р техн. наук, проф., проректор по научной работе, зав. каф. «Мосты» Doctor of technical Science, professor, vice-rector for research, head of department «Bridges»
E-Mail: [email protected]
Ращепкин Артем Алексеевич
Rashepkin Artem Alexeevich Сибирский государственный университет путей сообщения
Siberian State Railway University к.т.н., доцент Candidate of engineering Science, docent E-Mail: [email protected]
Кошлань Юрий Иванович
Koshlan Yuri Ivanovich Сибирский государственный университет путей сообщения
Siberian State Railway University вед. инж. ЦРИК СГУПС leading engineer CRIK SSRU E-Mail: [email protected]
05.23.11 Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, мостов и транспортных тоннелей
Электронное учебное пособие по строительству мостов с элементами 3-d моделирования
Electronic manual on building bridges with elements of 3-d modeling
Аннотация: В статье приведены результаты опытного применения современных средств представления учебного материала для студентов СГУПСа.
The Abstract: The article presents the results of experimental application of modern presentation means for the students study.
Ключевые слова: Электронный учебник, электронное учебное пособие, трехмерные модели, обучающая анимация.
Keywords: Electronic textbook, three-dimensional models, learning animation.
***
Опыт преподавания дисциплины «Строительство мостов», показывает, что изложение материала о сложных технологических процессах обнаруживает недостаток иллюстративного материала. Проблема обусловлена сложностью строительного оборудования (затруднено восприятие схем и фотографий), а так же сложностью, часто скрытостью и длительностью строительных процессов (затруднен подбор и подача реального видеоматериала). В данных условиях представляется наиболее эффективным использование компьютерных моделей
оборудования и виртуальных технологических процессов.
Способ виртуальной анимации получает все большее распространение. Особенно часто к нему обращаются производители техники или создатели технологий ведения работ. В сети Internet (например, на сайте www.youtube.com) можно найти отдельные видеофрагменты технологических процессов, как правило, рекламного характера. Такие видеоролики производят впечатление, но часто скрывают недостатки предлагаемой продукции и не предоставляют возможности получить обобщенные знания в рамках изучаемых дисциплин.
На протяжении последних нескольких лет в СГУПСе ведется разработка специализированных электронных учебных пособий, охватывающих темы дисциплины «Строительство мостов». Содержательная часть курсов оформлена в виде мультимедийных PDF-файлов, содержащих разнообразный контент (текстовый, иллюстративный, звуковой, видео). Кроме этого, уникальность разработки состоит в наличии трехмерных векторных моделей конструкций и техники, при иллюстрации их взаимодействия средствами анимации.
Достижению цели быстрого и качественного получения устойчивых знаний призваны способствовать учебные пособия, содержащие наиболее доходчивые, легко воспринимаемые формы представления изучаемого материала, к которым, несомненно, относится трёхмерная графика.
Среди новых возможностей применения средств мультимедиа в учебном процессе, поиск которых активно ведётся в НИЛ «Центр развития инновационных компетенций», весьма привлекательным по-прежнему остаётся использование интерактивных трёхмерных моделей. Помимо разработки отдельных демонстрационных материалов в настоящее время у нас имеется опыт создания электронных учебных пособий с интегрированной интерактивной трёхмерной анимацией.
В сотрудничестве с кафедрой «Мосты» были разработаны электронные учебнометодические пособия «Консольно-шлюзовые краны», «Монтаж пролётных строений стреловыми кранами на железнодорожном ходу» и «Монтаж пролётных строений железнодорожным консольным краном ГЭПК-130У». Интегрированность демонстрационного материала заключается в его расположении непосредственно в электронном документе учебного пособия, а интерактивность - в сохранении объёмности компьютерных моделей и анимаций, а также в возможности управления ими. Обучающийся может при использовании учебного пособия по своему усмотрению выбирать ракурс, масштаб встроенного наглядного пособия, прозрачность или видимость любого выбранного элемента модели, а также точку в пространстве, с которой ему удобнее изучать представленный анимацией технологический сюжет. Возможно и применение секущих плоскостей с сохранением движения и взаимодействия деталей по сюжету анимации для рассмотрения процессов внутри узла. Так открываются возможности «заглянуть» в тело опоры или сваи-оболочки, изучить внутреннее строение вибропогружателя или эрлифта. Насыщенность моделей и сложность анимационных сюжетов определяется программой курса и замыслом преподавателя по проведению урока.
Для разработки учебных пособий были применены следующие программные продукты: SolidWorks 2007 - создание трёхмерных моделей, 3D Toolkit (приложение Adobe Acrobat 3D 8) - для расстановки текстур и программирования анимаций, Microsoft Office PowerPoint - для компоновки и дизайна учебного пособия, а также размещения слайдов, AdobeAcrobat 3D 8 - для интегрирования трёхмерной анимации и создания выходного документа в PDF - формате.
Функционал и состав моделей разберем на примере учебного пособия «Консольношлюзовые краны» разработано с применением технологии интегрирования трёхмерных объектов в электронный документ, которая стала возможной благодаря использованию
программы ЛёоЬеЛсгоЬа1 3Б 8.
Рис. 1. Пример оформления слайдов электронного учебного пособия
В этом учебном пособии в виде трёхмерной виртуальной модели представлен не только сам шлюзовой кран, но и весь комплекс оборудования, в составе которого он работает: автомобиль-тягач, конструкции поперечных и продольных накаточных путей и т.д.
Другой пример - пособие по сооружению фундамента на сваях-оболочках и тела сборно-монолитной опоры.
Рис. 2. Сооружение фундамента на сваях-оболочках и тела сборно-монолитной опоры
Весь комплекс электронного курса «Строительство мостов» включает учебные пособия по темам: «Сооружение фундаментов на забивных сваях», «Сооружение фундаментов на сваях-оболочках», «Сооружение фундаментов на буронабивных сваях», «Сооружение тела сборно-монолитной опоры», «Замена пролетных строений краном на железнодорожном ходу ЕДК-1000», «Монтаж цельноперевозимых пролетных строений консольным краном ГЭП-130У», «Монтаж металлических пролетных строений с решетчатыми фермами деррик-краном», «Монтаж пролетных строений с продольным членением на монтажные блоки при помощи двух стреловых кранов», «Монтаж автодорожных пролетных строений консольно-
шлюзовыми кранами», «Продольная надвижка автодорожных пролетных строений», «Монтаж болто-сварного стыка металлической балки», «Монтаж сварного стыка металлической балки». Перечисленные темы охватывают большую часть изучаемого студентами курса.
Профессионально выполненное учебное пособие должно быть таким, чтобы с его помощью изучаемый материал не понять было бы просто невозможно. Применение вышеуказанных форм представления наглядного материала с высокой эффективностью решило эту задачу в сочетании, разумеется, с наличием исчерпывающего текстового материала, средств навигации по документу, оптимального компоновочного решения.
Разумеется, сочетание высокого уровня учебного материала и соответствующего ему высокотехнологичного оборудования способно сделать занятия максимально интересными, а процесс передачи знаний - максимально эффективным. Широкое применение этого сочетания - один из эффективных путей повышения качества учебного процесса.
Практическая ценность работы определяется в более достоверной за меньшее время подаче учебного материала. В сравнении с традиционным способом изложении материала (объяснение по чертежам, схемам и фотографиям) компьютерные модели оборудования и технологических процессов позволяют снизить временные затраты на восприятие единицы учебного материала, снизить трудоемкость подачи информации, высвободив драгоценное время аудиторных занятий для более детального и качественного изучения других тем, а также проведения практических занятий и лабораторных работ. Особенно ценно сэкономленное время аудиторных часов для заочников.
Реализация результатов работы представляется достаточно широкой. Прежде всего это внедрение в учебный процесс кафедр СГУПСа, МИИТа, СпбГУПСа, ИрГУПСа, ХабИИТа, ВУЗов с автодорожной направленностью (СибАДИ, МАДИ, СГТУ и т.д.). Кроме этого, результаты работы могут быть внедрены при обучении молодых специалистов в строительных организациях, в институтах повышения квалификации.
Внедрение результатов работы осуществлено в учебном процессе каф. «Мосты» СГУПС по дисциплине «Строительство мостов».
Объёмные компьютерные модели в учебном процессе могут быть использованы и иначе. В настоящее время в Центре проведена работа по сбору информации о способах изготовления учебных пособий с применением технологии 3D-печати, о возможности разработки лабораторных занятий по принципу «виртуального конструктора», исследованы способы создания стереоизображений с демонстрацией объёмного материала при применении либо без применения оборудования разделения полей зрения. Очевидный интерес представляет также идея разработки виртуального учебного пространства в виде мостового полигона.
Распространение разнообразных технологий 3D-печати (наплавляемая лазером полиамид-пудра, наслаиваемый жидкий полимер, укладываемая слоями расплавляемая нить, быстротвердеющие пасты и др.) позволяют выбрать оптимальное сочетание стоимости и качества изготовления натурных экспонатов по имеющимся компьютерным заготовкам. Предполагается изготовление монолитных масштабных макетов для использования в качестве наглядных учебных пособий, выставочных и рекламных образцов, а также подетальное изготовление с целью проведения практических занятий по моделированию процесса изготовления или монтажа/демонтажа сооружений либо моделирования работы механизмов.
Разработка практических занятий по принципу «виртуального конструктора» осуществлена на основе программы AutoDesk Inventor Series. Технология прекрасно работает, у обучаемых такие занятия вызывает живейший интерес, освоение программных команд не представляет затруднения и занимает совсем немного учебного времени, так как они в
основном аналогичны командам программы AutoDesk AutoCAD, основы работы с которой изучались на дисциплине «Инженерная графика». Дальнейшая работа над этой технологией будет направлена на поиск возможностей создания практический занятий с коллективным участием, в которых поставленную задачу будет решать коллектив участников, работающих на одном рабочем поле каждый со своего компьютера. При этом весьма перспективным представляется обеспечение возможности проведения практических занятий в компьютерных классах стандартной комплектации, избегая больших затрат создания специализированных студий с дорогостоящим оборудованием.
Виртуальное трёхмерное учебное пространство представляется эффективной разработкой для комплексного изучения материала. Виртуальный тур представляет собой комплект программно объединённых панорамных изображений реальных объектов и трехмерных моделей, учебных пространств. Перемещение и посещение виртуальных трехмерных пространств позволяет изучающему «окунуться» в приближенную к реальности обстановку строительной площадки или места ведения работ. Система навигации делает возможной также загрузку панорамных видов, в том числе из сети Internet. Каждый панорамный вид имеет программные ссылки, позволяющие переход к выбранному экспонату для детального ознакомления с ним. Загружаемая при этом информация может быль любого удобного формата - текстовая, в виде фотографий и слайдов, также это может быть видеосюжет, трёхмерная фотография, стереоизображение, трёхмерная модель или новая панорама. Составляющие панорамные изображения формируются на основе фотоснимков реальных ландшафтов и дополняются виртуальным содержимым, составленным из отдельных компьютерных трёхмерных объектов. Для виртуального мостового полигона это детали и узлы мостовых конструкций, механизмы для производства работ на сооружении мостовых объектов, такелаж, инвентарные вспомогательные конструкции, подмости, различное оборудование. Виртуальный полигон планируется представить в виде комплекта программно объединённых панорамных изображений, оснащённого навигацией по панорамам и выходами по ссылкам на подробный фото-видео-3D или текстовый материал по выбранному экспонату полигона.
Для разработки тура может быть применена уже используемая для создания виртуального тура по университету программа PanoramaStudio 2 Pro. Более функциональна и обладает более выраженными возможностями программа krpano.com. Кроме этого, для создания виртуального тура на основе трёхмерной компьютерной модели учебного пространства может быть с успехом применена программа 3DS MAX версии 2011 года или более поздней, поскольку в её инструментарии уже есть функция создания сферической фотографии, использование которой может существенно упростить и облегчить создание панорам как элементов тура.
Виртуальный мостовой полигон как средство обучения планируется использовать для разработки практических занятий, а также как наглядное пособие при самостоятельной работе. Технология виртуального тура, применённая при его создании, позволит сделать доступным режим он-лайн, что делает такой учебный материал возможным для удалённого использования через сеть Internet.
Говоря о техническом уровне применяемых в учебном процессе средств мультимедиа, хочется подчеркнуть, что учебные пособия, созданные по вышеописанным технологиям, не только применимы с максимальным эффектом на ЭВМ с достаточно высокими техническими характеристиками. Их использование становится ещё более наглядным при задействовании высокотехнологичного демонстрационного периферийного оборудования, которого на рынке средств мультимедиа появляется всё больше.
Представленное на выставке «УЧСИБ-2013» в г. Новосибирске интерактивное
оборудование - сенсорные планшеты, плазменные экраны, проекционные доски и техническая новинка - интерактивный комплекс ТеасЬТоисЬ как раз и являются таким высокотехнологичным дополнением к качественным учебным пособиям. На презентациях, организованных в секциях ООО «Полимедиа-Сибирь», ООО «ИНВЕРТА» и фирмы "Компьютеры & Сети" демонстрировались учебные пособия школьного применения, которые при всей своей привлекательности использовали всё-таки только плоскую графику. Но такое оборудование прекрасно справляется и с трёхмерным изображением, повышая при этом уровень его восприятия.
Эффект присутствия, усиливаемый применением сенсорного оборудования, несомненно, решает задачу повышения интереса к изучаемому материалу. И этот интерес буквально был написан на лицах посетителей нашей секции, получивших возможность в прямом смысле быть ближе к изучаемому предмету и своими руками собирать на экране здание из отдельных составляющих элементов, управлять подъёмным краном, поворачивать здание, разбирать и собирать электродвигатель.
Разумеется, возможности применения трёхмерных моделей как обучающего элемента не ограничиваются уже освоенными технологиями их использования при создании электронных учебных пособий. Несомненный интерес представляет перспектива использования в аудиторных классах стереоизображений - слайдов, анимационных сюжетов и панорам. В дальнейшем намечена также работа над технологией создания многопользовательских лабораторных и практических занятий, в том числе с использованием удаленного доступа через сеть Мете!
ЛИТЕРАТУРА
1. Овчинников И.Г., Маринин А.Н., Овчинников И.И., Желнов А.Г. О поиске новых методов подготовки инженеров путей сообщения, основанных на применении современных информационных технологий// Актуальные вопросы строительства : материалы Междунар. науч.-техн. конф.: в 2 ч. Ч. 2 / редкол.: В. Т. Ерофеев (отв. ред.) [и др.]. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2008. с. 421-425.
2. Овчинников И.Г., Желнов А.Г. Информационные технологии при решении инженерных задач (в области транспортного строительства)// Актуальные вопросы строительства : материалы Междунар. науч.-техн. конф. : в 2 ч. Ч. 2 / редкол.: В. Т. Ерофеев (отв. ред.) [и др.]. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2008. с. 440-444.
3. Овчинников И. Г., Овчинников И. И., Желнов А. Г. О необходимости создания виртуальной кафедры в области транспортного строительства// Актуальные вопросы строительства : материалы Междунар. науч.-техн. конф. : в 2 ч. Ч. 2 / редкол.: В. Т. Ерофеев (отв. ред.) [и др.]. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2008. с. 452-455.
4. Овчинников И.Г., Овчинников И.И. Выпускающая кафедра вуза - основа сохранения высшей инженерной школы и внедрения инновационных технологий в вузах// Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию Победы советского народа в Великой Отечественной войне «Инновации в транспортном комплексе. Безопасность движения. Охрана окружающей среды». Том 3. Инновации в транспортном строительстве. Издательство Пермского государственного технического университета. Пермь. 2010. С. 107-113
5. Овчинников И. Г. Применение инновационных решений в практике проектирования строительства и эксплуатации мостовых сооружений Поволжского региона// Наука: 21 век. Саратов. 2011. №1(13).с 36-43
6. Овчинников И.Г., Овчинников И.И. Квалификация под угрозой. Дорожная Держава. 2012. № 42. с. 52-54.
7. Овчинников И.Г., Овчинников И.И. Квалификация под угрозой (продолжение). Дорожная Держава. 2012. № 44. с. 67-69.
8. Овчинников И.Г, Овчинников И.И. Проблемы внедрения современных инновационных решений в транспортном строительстве// Вестн. Волгогр. гос. ун-та. Сер. 10, Иннов. деят. Вып. 7. 2012. с. 105 - 109.
Рецензент: Овчинников Игорь Георгиевич, заместитель председателя Поволжского отделения Российской академии транспорта, профессор кафедры «Транспортное строительство» Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А., д-р. техн. наук, профессор.
