CC BY
10
УДК 378.14
Методологические основания интеграции базовой геометро-графической подготовки студентов в технических вузах
Methodological foundations for integration of basic geometric and graphic training of students in technical universities
Усанова Е.В., Казанский национальный исследовательский технический университет (КНИТУ-КАИ), [email protected]
Usanova Е., Kazan national research technical university (KNITU-KAI), [email protected]
DOI: 10.34772/KPJ.2020.142.5.013
Ключевые слова: базовая геометро-графическая подготовка, интеграция, методологические основания.
Keywords: basic geometric and graphic training, integration, methodological foundations.
Аннотация. Статья посвящена актуальной проблеме профессионального образования - интеграции базовой геометро-графической подготовки в условиях перехода предприятий высокотехнологичного машиностроения к комплексной информатизации технической деятельности на базе концепции CE/PLM. Целью статьи является обоснование теоретических и практических аспектов методологических подходов к интеграции базовой графической подготовки. Автором проведен анализ мирового и отечественного образовательного пространства относительно необходимости системной интеграции геометро-графической подготовки. Представлена авторская трактовка решения задач ее интеграции, определяющих ее развитие в контексте CE/PLM. Эффективность организации интеграции на базе проектной и проблемно-ориентированной дидактики с методологией генерации новых идей активизирует проектную деятельность студентов с применением технологий, моделирующих профессиональную деятельность. Новизна авторской идеи начала интеграции с учебных элементов, оказала положительное влияние на учебно-информационное взаимодействие, активизацию самостоятельной работы студентов.
Abstract. The article is devoted to the actual problem of professional education - integration of basic geometric and graphic training in the conditions of transition of high-tech engineering enterprises to complex Informatization of technical activities based on the CE/PLM concept. The purpose of the article is to substantiate the theoretical and practical aspects of methodological approaches to the integration of basic graphic training. The author analyzes the international and Russian educational space regarding the need for system integration of geometric and graphic training. The author's interpretation of the solution of its integration problems that determine its development in the context of CE/PLM is presented. The effectiveness of organizing integration based on project-based and problem-oriented didactics with a methodology for generating new ideas activates students' project activities using technologies that model their professional activities. The novelty of the author's idea of starting integration with educational elements had a positive impact on educational and informational interaction, activation of independent work of students.
Введение. Переход предприятий
высокотехнологичного машиностроения к комплексной информатизации технической деятельности на базе концепции CE/PLM (CE, Concurrent Engineering; PLM, Product Lifecycle Management) - параллельного инжиниринга и информационной поддержки ЖЦИ- жизненного цикла изделий изменил характер инженерной деятельности в области техники и технологий. Сегодня востребован инженер, являющийся «носителем целостной инженерной деятельности,
способный к творческой работе на всех этапах жизненного цикла - от исследования и конструирования до разработки технологии, изготовления, доведения до потребителя и обеспечения эксплуатации» [1, с.69]. Эта многофункциональная деятельность предполагает целостную систему ЗУВ - знаний, умений, владений ими. Их системообразующим фактором является «профессиональная компетентность современного конкурентоспособного инженера и технолога», которая «предполагает наличие
системных функциональных знаний» и системного политехнического мышления, тогда как традиционная «дисциплинарная система организации профессиональной подготовки не способна справиться с этой задачей» [2, с.75]. Это требует переосмысления инженерной подготовки в контексте CE/PLM, организации ее на основе системной интеграции всех образовательных структур: учебных, научных, административных.
Дефицит высококвалифицированных кадров для ключевой в жизненном цикле изделий проектно-конструкторской деятельности
вызывает необходимость их подготовки. В среде проектно-технологических информационных CAD/CAE/CAM-систем с применением технологий высокотехнологичного производства: 3D-моделирования, Ж-визуализации, 3D-сканирования, 3D-печати и т.д., современная проектно-конструкторская деятельность имеет интегративный полидисциплинарный характер. Это обстоятельство выводит значимость целостности и системности знаний, умений, навыков владения, определяющих ее развитие в контексте концепции CE/PLM, на первые позиции и требует адекватного ответа со стороны системы высшего образования.
Теоретической и практической основой проектно-конструкторской деятельности является геометро-графическая подготовка. Начиная с базовой общеинженерной геометро-графической подготовки, вопросы разработки общих педагогических концепций и обучающих технологий в формировании целостной системы знаний, умений, владений возникают перед всем мировым образовательным сообществом. Об этом свидетельствуют материалы регулярных международных конференций по геометрии и графике, где обозначены организационно-институциональные трудности системной интеграции базовой геометро-графической подготовки, отражены накопленный опыт и практический инструментарий.
Целью данного исследования является обоснование методологических подходов, теоретических и практических аспектов интеграции базовой геометро-графической подготовки, обеспечивающих целостность и системность знаний, умений, навыков владения в контексте CE/PLM.
Методология исследования. Материалом для исследования послужил анализ позиций мирового и отечественного [3] образовательного пространства относительно необходимости системной интеграции базовой геометро-графической подготовки на фоне общемировой стратегии информатизации проектно-
конструкторской деятельности. В странах с высокоразвитым машиностроением: США, Германии, Японии, Китае и др., где концепция CE/PLM в машиностроении внедрена ранее, объектами интеграции базовой геометро-графической подготовки инженерных кадров выступают: содержание и виды знаний, научные понятия, теории и идеи, образовательные модели. Интеграция учебных и научных структур при этом осуществляется с учетом быстро меняющихся вызовов технического прогресса и применяемых в производстве технических объектов информационных технологий. Инженерная подготовка в этих странах обычно осуществляется в рамках укрупненных образовательных структур (департаментов), а гарантированное качество образовательных инноваций при этом обеспечивается в интеграции с производством даже в международной межвузовской кооперации. Например, университеты США (Кеттеринг) и Германии (Констанц, Висбаден, Ульм, Эслинген) [4;5], имеют идентичную структуру учебных планов в STEM-направлениях (science, technology, engineering, mathematics: естественные науки, технологии, инженерное дело, математика). В рамках практико-ориентированной инициативы CDIO (Conceive - понимать, Design -проектировать, Implement - реализовывать, Operate - эксплуатировать), начиная с базовой геометро-графической подготовки, они практикуют подготовку специалистов посредством стажировок по месту или выполнением проектов международными командами дистанционно. С первого года обучения в этих университетах изучается проектно-организованный интегрированный базовый CAD-курс Engineering Graphical Communication [4, c. 112,115,117,119]. В индустриально продвинутой Японии по программам бакалавриата осуществляется внутри- и междисциплинарная интеграция содержания с использованием активных обучающих технологий [5, с.1048-1054]. В Китае подход к содержанию геометро-графического образования базируется на интеграции фундаментального классического и нового, обновляющегося по мере совершенствования технологий производства [6, с. 1055-1060; 7, с.1037-1043]. Представленная в сборнике материалов 16-й Международной конференции по геометрии и графике (ICGG-2014, Австрия, г. Инсбрук) [6, с.1060] структура содержания включает базовую графику с графическими стандартами и прикладную графику с приложениями. В ней интегрированы
классический графический
общепользовательский фонд (начертательная геометрия + алгебра), графический вычислительный фонд (геометрические вычисления, компьютеризированные алгоритмы, вычислительная математика и др.), теория графики (графическая теория формы и др.). В блоке прикладной графики изучаются: проектирование и дизайн изделий, графический дизайн, изобразительное творчество,
визуализация информации и др. Обучающиеся осваивают ручные графические техники в изобразительном творчестве и дизайне, развивающие пространственные представления на уровне образов воссоздающего и творческого воображения, инженерное мышление, профессиональную интуицию. Мониторинг качества обученности осуществляется с помощью постоянно обновляемого банка графических тестов [8, с. 1061-1065]. Такой подход к интеграции классического и современного содержания с привлечением наиболее адекватных для формирования целостной инженерной деятельности обучающих технологий и мониторингом результатов внедрения всего комплекса интеграционных мероприятий обеспечивает высокое качество проектно-конструкторской деятельности выпускаемых инженеров.
В российском геометро-графическом образовании в период «перехода к новому технологическому укладу» [9, с.373] в интеграции базовой подготовки в контексте CE/PLM характерны следующие организационные решения на разных уровнях.
Внутрипредметный уровень. Учебный материал объединяется в блоки-модули из ориентированного на перспективы обновленного в контексте CE/PLM содержания разделов, меняющих структуру подготовки. Их изучение предполагает различные приемы и формы выполнения комплексных заданий, творческих упражнений, направленных на формирование базовых компонент конструкторско-
технологических компетенций с приобретением практических навыков. Например, интегративный базовый курс Пермского национального исследовательского политехнического
университета, сопровождаемый электронным учебно-методическим комплексом, включающий лекции-презентации, указания к практическим занятиям, тренинг к лабораторным занятиям, руководство к самостоятельной работе, охватывает различные виды учебной деятельности. Но в структуру обучающего контента, ориентированного на формирование
базовых геометро-графических компонент проектно-конструкторских компетенций, не интегрированы такие разделы, как технический рисунок и индустриальный дизайн. Однако, исследования Н.В. Соснина и др. [10] показывают, что применение графических информационных технологий открывает широкие возможности формирования целостного образа объекта с учетом его технических и эстетических характеристик, и инженеру необходимы знания основ дизайна, позволяющие комплексно подойти к его композиционному построению в целом. Поэтому выстраивать классические учебные геометро-графическими модули в интеграции с основами индустриального дизайна следует уже на этапе базовой подготовки. Содержание такого интегрированного контента, декларативные и процедурные обучающие средства, спектр инструментальных средств, используемых в обучающей модели, формируют базовый объём знаний-умений-владений, необходимый для CE/PLM.
Межпредметный уровень. Организационно интеграция базовой геометро-графической подготовки в РФ осуществляется, в основном, на базе межкафедральной кооперации или объединения кафедр («оптимизации»). Применяют модели межпредметной интеграции со смежными (горизонтальный уровень) и базирующимися на ней модулями проектной конструкторско-технологической подготовки (вертикальный уровень) в CAD/CAE/CAM-среде. Интегрируемые модули при этом должны обладать общностью объекта, предмета, целей изучения, допускать перенос методов исследования, присущих одним модулям (дисциплинам) в другие. Примерами различного решения организационных задач интеграции базовой подготовки специалистов
инновационного машиностроения в
межкафедральной кооперации может служить опыт МВТУ им. Баумана и Самарского государственного аэрокосмического
университета (СГАУ). В МВТУ формирование части компонент профессиональных
компетенций вычислительно-графической
практики с кафедры «Аэрокосмические системы» делегируется на кафедру «Инженерная графика» [11]. В СГАУ же организована сквозная геометро-графическая подготовка выпускников в области авиадвигателестроения в интеграции со смежными и выпускающими кафедрами, и с производством. Общей платформой интеграции является организация сквозного
параметрического моделирования элементов авиадвигателей в CAD/CAE/CAM-среде [12]. При
этом становится возможной интеграция основного и дополнительного образования с выходом на трансдисциплинарный уровень.
Методологическим интегратором, общей платформой методологических оснований ориентации геометро-графической подготовки на CE/PLM выступает деятельностно-
компетентностный подход, обеспечивающий целостное познание целостность и системность деятельности. При этом в разработке образовательных программ, отборе и структурировании содержания обучающего материала реализуются формы и принципы практико-ориентированного учебного процесса, нацеленного на решение профессиональных задач. Результаты его образовательного воздействия показывают, что с применением обучающих технологий, моделирующих деятельность профессионального характера, этот подход выступает, как средство развития способности обучающихся системно мыслить в процессе решения практических задач [13; 14 и др.]. Привлечение при этом технологий личностно-ориентированного подхода позволяет обеспечить персонализацию обучения с учетом возможностей отдельного обучающегося, помочь ему в саморазвитии и самореализации.
Системный подход к интеграции базовой подготовки в контексте CE/PLM требует структурных (состав и структура новых для CE/PLM компетенций), конструктивно-технологических (содержание сквозных обучающих модулей, продуктивные обучающие технологии) и параметрических (объемы учебных часов, самостоятельные работы студентов, баланс различных видов занятий в учебных планах и т.д.) изменений. Это дает возможность выстраивать интеграцию, выделяя системообразующие факторы и функциональные связи между ними, в соответствии с целями педагогических подходов и концепций.
Имеющийся опыт ведущих технических вузов России [9; 11-14] подтверждает, что наиболее эффективными формами организации учебного процесса в базовой геометро-графической подготовке в контексте CE/PLM являются проблемно-ориентированное и проектно-организованное обучение. Проблемно-ориентированное обучение с изложением содержания обучающего материала как системы учебных проблем направлено на развитие продуктивного творческого мышления будущего инженера. Проектно-организованное обучение в контексте CE/PLM дает возможность интегрировать профессиональные знания и практическую деятельность, рассматривая проект
как объект усвоения. Обучение выполнению проектов командой участников проекта осуществляется посредством группового обучения в сочетании с индивидуализацией траекторий обучения каждого члена команды. Совместное использование этих форм активизации преобразующе-познавательной учебной деятельности стимулирует
формирование целостности и системности профессиональной деятельности в CE/PLM.
Информационный подход с применением иерархических моделей к отбору и структуре содержания с применением визуализации (мультимедиа, инфографика и т.д.) интенсифицирует развитие когнитивной активности обучающихся. Структурирование обучающей информации с помощью широкого спектра визуальных техник стимулирует создание целостного образа профессионального знания, систематизируя его. При этом вопросы эффективности приема, переработки и хранения визуальной информации, зависящие от форм и методов ее представления, решаются с учетом психолого-педагогических аспектов [15].
В соответствии с целями применяемых в интеграции геометро-графической подготовки педагогических подходов и концепций, традиционные дидактические принципы: научности, наглядности, профессиональной направленности, индивидуализации, повышения информационной ёмкости учебных элементов, интенсификации учебных действий и т.д., ориентируются на развитие базовой геометро-графической подготовки в контексте CE/PLM.
Результаты исследования. Интеграция базовой геометро-графической подготовки в варианте «оптимизации» реализована на примере объединения кафедр графики и основ конструирования (КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева). Объединение кафедр создало предпосылки для разработки оптимально интегрированного базового курса.
Приобретаемые базовые ЗУВ параллельно используются при выполнении курсовых работ и проектов общеинженерной конструкторской подготовки. При этом возникают условия для приложения результатов базовой подготовки на дальнейших этапах обучения и организации далее (по примеру СГАУ) сквозной подготовки с участием в профессиональных проектах. Но даже в интеграции с дисциплинами общеинженерной конструкторской подготовки реализация всех необходимых методологических оснований требует большой методической проработки содержания обучающего материала, технологий обучения, новых образовательных форматов
учебно-информационного взаимодействия (VR, on-line, сетевых программ и т.д.), соответствующая подготовка преподавателей.
В модульной структуре обучения учебная деятельность осуществляется через УЭ - учебные элементы, включающие обучающий материал для освоения элементарных единиц знаний, умений, навыков владения. Структурирование учебной информации начинается с выделения основных учебных элементов и установления интеграционных связей между ними. Эти связи определяют конкретную структуру,
последовательность изучения и интеграцию содержания. Обучающий контент базовой подготовки включает 7 базовых модулей: основы
графических средств представления обучающей информации и технический рисунок, основы индустриального дизайна, основы теории геометрического моделирования, твердотельное 3D-моделирование и параметризация, соединения, моделирование сборочных единиц и чертежи деталей, схемы. Он имеет трехуровневую структуру: базовые модули (М1, М2, ... М7), включающие темы-микромодули (ММ1, ММ2, ...), состоящие учебных элементов (УЭ1, УЭ2, ...), с которых начинается процесс интеграции, см. рисунок 1.
Реализация модульного обучения в базовой геометро-графической подготовке наиболее продуктивна, как показал опыт, на основе алгоритма, см. рисунок 2.
Рисунок 1. - Модульная структура контента
Рисунок 2. - Алгоритм модульного обучения
Для сжатия информации автор использует медиа технологии и ГСПИ - графические средства ее представления [15]. Мониторинг качества обученности осуществляется LMS Blackboard.
Структура интегрированного контента, проектируя индивидуальный опыт учебной деятельности, начиная с учебных элементов, направлена на развитие индивидуальных когнитивных способностей, отвечающих концепции CE/PLM. Наполнение содержания учебных элементов определяется темпами развития инновационных технологий и рыночной конъюнктуры.
Заключение. Проведенное исследование подтвердило актуальность обоснования методологических аспектов интеграции базовой геометро-графической подготовки с целью обеспечения целостности и системности знаний,
умений, навыков владения для деятельности в CE/PLM.
Мониторинг качества обученности в LMS Blackboard продемонстрировал эффективность организационных инноваций в интеграции учебных элементов, их положительное влияние на самостоятельную работу.
Интеграция базовой геометро-графической подготовки на базе проектной и проблемно-ориентированной дидактики с её методологией генерации новых идей активизирует проектную деятельность обучающихся.
Дальнейшие исследования автора направлены на реализацию потенциала интеграции медиа технологий и цифровой среды CAD/CAE/CAM-систем в повышении эффективности формирования профессиональной
компетентности инженера путем формата on-line обучения.
Литература:
1. Юшко С.В., Галиханов М.Ф., Кондратьев В.В. Интегративная подготовка будущих инженеров к инновационной деятельности для постиндустриальной экономики / С.В. Юшко, М.Ф. Гелиханов, В.В. Кондратьев // Высшее образование в России. - 2019. -№ 1. - С. 65-75.
2. Инженерное образование: экспертная оценка, диагноз, перспективы (обзор) // Высшее образование в России. - 2011. - № 12. - С. 65-75.
3. Современное инженерное образование: материалы ВКС-конференции. (СПб, 22-24 июня, 2020 г.) Центр НТИ СПбПУ [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://nticenter.spbstu.ru/news/7380
4. Kettering University 2012-2014. Undergraduate Programs. - Flint, MI 48504, 2014. [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.kettering.edu
5. Hiroki Tominaga. A research of multimedia teaching materials for 3-dimension cad education / Hiroki Tominaga et al. // Proceedings of the 16th International Conference on Geometry and Graphics. Innsbruck, 2014. -P. 1048-1054.
6. Baoling Han The research on graph, graphics and graphics science / Baoling Han et al. // Proceedings of the 16th International Conference on Geometry and Graphics. Innsbruck, 2014. - P. 1055-1060.
7. Zhang Ningrong and Xie Qinghua. Research and practice of engineering design training with a tight integration between design and engineering graphics / Zhang Ningrong and Xie Qinghua. // Proceedings of the 16th International Conference on Geometry and Graphics. Innsbruck, 2014. - P. 1037-1043.
8. Lijie Guan. Research on the test sheet organization for engineering graphics / Lijie Guan // Proceedings of the 16th International Conference on Geometry and Graphics. Innsbruck, 2014. - P. 1061-1065.
9. Столбова И.Д., Шахова А.В. Интегративная модель геометро-графической подготовки студентов:
сборник / И.Д. Столбова, А.Б. Шахова // «GraphiCon -2017» / Материалы 27-й Международной конференции по компьютерной графике и машинному зрению. -Пермь, ПНИПУ, 2017. - С. 373-377.
10. Соснин Н.В. Дизайн как основа компетентностной модели инженерного образования / Н.В. Соснин // Высшее образование в России. - 2009. -№ 12. - С. 20-26.
11. Щеглов Г.А. Обучение твердотельному геометрическому моделированию - от инженерной графики к инженерной скульптуре: сборник / Г.А. Щеглов // «Информатизационные средства и технологии» / Материалы XXI Международной научно-методической конференции. - М., МЭИ, 2013. -Т.1. - С. 207-210.
12. Чемпинский Л.А. Формирование компетенций в новом учебном курсе «Основы геометрического моделирования в машиностроении»: сборник / Л.А. Чемпинский // «Проблемы качества графической подготовки студентов в техническом вузе: традиции и инновации» / Материалы VIII Международной научно-практической интернет-конференции. - Пермь: ПНИПУ, 2019. - С. 303-308.
13. Рукавишников В.А. Базовая геометро-графическая подготовка специалистов в области техники и технологии: монография / В.А. Рукавишников, Е.В. Усанова. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2018. - 126 с.
14. Семенов В.А. Геометро-графическая подготовка в рамках специалитета в русле всемирной инициативы CDЮ: сборник / В.А. Семенов, С.Н. Абросимов, Д.Е. Тихонов-Бугров // «^гарЫСоп - 2017» / Материалы 27-й Международной конференции по компьютерной графике и машинному зрению. - Пермь, ПНИПУ, 2017. - С. 370-372.
15. Усанова Е.В. Психолого-педагогические аспекты геометро-графической подготовки в
техническом вузе с использованием медиа технологий М.:
и CAD-систем / Е.В. Усанова // Геометрия и графика. - ИНФР
References
1. Yushko S.V., Galikhanov M.F., Kondratev V.V. Integrative training of future engineers for innovation activities for the post-industrial economy / S.V. Yushko, M.F. Gelikhanov, V.V. Kondratev // Higher education in Russia. - 2019. - № 1. - P. 65-75.
2. Engineering education: expert assessment, diagnosis, prospects (review) // Higher education in Russia. - 2011. -№ 12. - P. 65-75.
3. Modern engineering education: materials of the VKS-conference. (Saint Petersburg, June 22-24, 2020) NTI center of Spbpu [Electronic resource]. - Access mode: https://nticenter.spbstu.ru/news/7380
4. Kettering University 2012-2014. Undergraduate Programs. - Flint, MI 48504, 2014. [Electronic resource]. -Access mode: www.kettering.edu
5. Hiroki Tominaga. A research of multimedia teaching materials for 3-dimension cad education / Hiroki Tominaga et al. // Proceedings of the 16th International Conference on Geometry and Graphics. Innsbruck, 2014. -P. 1048-1054.
6. Baoling Han. The research on graph, graphics and graphics science / Baoling Han et al. // Proceedings of the 16th International Conference on Geometry and Graphics. Innsbruck, 2014. - P. 1055-1060.
7. Zhang Ningrong and Xie Qinghua. Research and practice of engineering design training with a tight integration between design and engineering graphics / Zhang Ningrong and Xie Qinghua. // Proceedings of the 16th International Conference on Geometry and Graphics. Innsbruck, 2014. - P. 1037-1043.
8. Lijie Guan. Research on the test sheet organization for engineering graphics / Lijie Guan // Proceedings of the 16th International Conference on Geometry and Graphics. Innsbruck, 2014. - P. 1061-1065.
9. Stolbova, I.D., Shakhova A.V. Integrative model of geometric and graphic training of students / I.D. Stolbova,
Изд-во ООО «Научно-издательский центр 3А-М», 2011. - Вып.1. - С. 138-144.
A.B. Shakhova // "GraphiCon - 2017": collection of materials of the 27th International conference on computer graphics and machine vision. Perm, PNRPU, 2017. - P. 373-377.
10. Sosnin N.V. Design as the basis of the competence model of engineering education / N.V. Sosnin // Higher education in Russia. - 2009. - № 12. - P. 20-26.
11. Shcheglov G.A. Training in solid - state geometric modeling- from engineering graphics to engineering sculpture / G.A. Shcheglov // "Informatization tools and technologies": collection of materials of the XXI International scientific and methodological conference. Moscow, MEI, 2013. - Vol. 1. - Pp. 207-210.
12. Champinsky L.A. building competencies in the new educational course "Fundamentals of geometric modeling in engineering" / L.A. Champinsky // "problems of quality of graphic training of students in technical College: traditions and innovations": proceedings of the VIII International scientific-practical Internet-conference. Perm: PNRPU, 2019. - P. 303-308.
13. Rukavishnikov V.A. basic geometric and graphic training of specialists in the field of engineering and technology: monograph / V.A. Rukavishnikov, E.V. Usanova. - Kazan: Kazan state energy. UN-t, 2018. - 126 c.
14. Semenov V.A. Geometric and graphic training in the framework of a specialty in line with the world CDIO initiative/ V.A. Semenov, S.N. Abrosimov, D.E. Tikhonov-Bugrov // "GraphiCon - 2017": collection of materials of the 27th International conference on computer graphics and machine vision. Perm, PNRPU, 2017. - P. 370-372.
15. Usanova E.V. Psychological and pedagogical aspects of geometric and graphic training in a technical University using media technologies and CAD systems / E.V. Usanova // Geometry and graphics. - M.: Publishing house of LLC "Scientific and publishing center INFRA-M", 2011. - Issue 1. - P. 138-144.
13.00.08 -Теория и методика профессионального образования
