CC BY
722
УДК 372.016:004+004.9
Можаров Максим Сергеевич
Кандидат педагогических наук, профессор кафедры теории и методики преподавания информатики, Новокузнецкий институт (филиал) Кемеровского государственного университета, mogarov@yandex.ru, Новокузнецк
Можарова Анна Эдуардовна
Старший преподаватель кафедры теории и методики преподавания информатики, Новокузнецкий институт (филиал) Кемеровского государственного университета, mogarov@yandex.ru, Новокузнецк
ОБУЧЕНИЕ МЛАДШИХ ШКОЛЬНИКОВ 3D-МОДЕЛИРОВАНИЮ
Аннотация. Авторы обращают внимание на стремительное развитие информационных технологий 3D-моделирования и прототипирования, на необходимость готовить людей к существованию в новых условиях. В статье актуализируется проблема подготовки школьников к новым реалиям мировой системы товарного производства, основанного на 3D-моделировании и 3D-печати в школе. Авторы предлагают начинать обучение в начальной школе и использовать для этого программу TinkerCAD. В статье анализируются возможности программы, ее особенности и преимущества использования при обучении в начальной школе. Отмечается, что программа имеет доступный и интуитивно понятный интерфейс, поддерживает необходимые операции с объектами, позволяет легко менять экспозиции объектов, вращать и передвигать их в любом направлении. В статье приведены главные цели курса 3D-моделирования для начальной школы и принципы организации обучения.
Ключевые слова: 3D-моделирование, 3D-печать, интерфейс, программа, начальная школа, информатика, организация обучения, воспитание, развитие.
Введение
Развитие технологии 3D-печати в ближайшее время изменит существующий уклад товарного производства. По расчетам МуСогрогайоп, индустрия 3D-печати достигнет размеров 5,2 миллиардов долларов к 2020 году при предполагаемом годовом приросте 14 % с 2012 по 2017 годы.
В настоящее время уже воплощен ряд удачных бизнес-проектов, основанных на технологии трехмерного прототипирования. Сферы такого бизнеса разнообразны: от архитектуры и строительства до дизайна и производства одежды, от рекламы и маркетинга до производства медицинских материалов и инструментария, а также трехмерной печати живой ткани.
Наиболее значимые изменения существующей бизнес-модели товарного производства связаны, прежде всего, с упрощением
жизненного цикла товара. Традиционная модель подразумевает, что после стадии проектирования начинаются длительные процессы внедрения, настройки оборудования, обучения персонала и т. д. Но в случае 3D-печати стадия проектирования является практически завершающей: мы нажимаем кнопку, и товар готов.
Возникает ряд вопросов, связанных с будущим рынком труда, требованиями к профессиям, требованиями к профессиональной подготовке и предпринимательским компетенциям молодежи, уже сейчас необходимо готовить школьников к реализации таких проектов через 5-10 лет.
Цель настоящей статьи - предложить и обосновать подход к обучению школьников 3D-моделированию.
Образовательная практика обучения 3D-моделированию в школе
Мы предлагаем с начальной школы формировать у детей представления и компетенции, связанные с 3D-проектированием (моделированием) и 3D-печатью.
Нормативное обеспечение преподавания информатики в начальной школе [3] позволяет осуществлять обучение 3D-моделированию и использовать специ-
альное программное обеспечение в рамках отведенных учебных часов. Кроме того, в России уже есть опыт активного погружения учащихся начальных классов в предметную область моделирования [1], а также опыт использования компьютерной графики 3D-моделирования для организации обучения в начальной школе [2].
За рубежом проблеме обучения детей младшего возраста основам 3D-моделирования уделяют внимание как средству развития пространственного вооб-
ражения [9; 8; 10], в частности предлагается изучать понятия сферических небесных тел с использованием 3D-моделирования [9] и 3D-визуализации [8].
Также для развития навыков пространственного воображения предлагается использовать специальное программное обеспечение и компьютерную анимацию [7]. Зарубежный опыт проведения занятий по 3D-моделированию с младшими школьниками представлен на официальном сайте ТшкегСАБ [5; 6].
Организация экспериментального обучения
Для реализации современных тенденций в образовательной практике обучения младших школьников нами была поставлена задача разработки серии уроков по информатике для 1-4-х классов, позволяющих познакомить учащихся с о сновами деятельно сти в области 3D-моделирования и 3D-печати.
Мы исходили из того, что интерес детей к работе за компьютером, будь то игра или творческое задание, всегда очевиден. Компьютер увлекает детей обнаружением новой информации в знаках, изображениях и звуках. Важно предложить детям разнообразие новых способов работы с современным образовательным контентом. Таким способом может быть изучение 3D-моделирования, ведь через примитивные формы плоских геометрических объектов, знакомых детям из повседневной жизни, школьники получают представление о пространственных формах и объектах. Такая учебная деятельность помогает детям почувствовать объемность реального и виртуального пространств, оценить разнообразие и форму геометрических тел и понять, как они взаимодействуют в различных контекстах.
3D-моделирование в онлайн-редакторе -первая ступень на пути овладения детьми способами моделирования объектов с использованием информационных ресурсов. Для детей процесс моделирования - достаточно
эмоциональное и увлекательное по своему содержанию занятие. 3D-редактор дает возможность ребенку проявить свое творчество, а затем провести качественные анализ и оценку созданной модели вместе с педагогом.
Преподавателями кафедры теории и методики преподавания информатики и студентами НФИ КемГУ (педагогическое образование по профилю «Информатика») был разработан и апробирован факультативный курс для начальной школы по 3D-моделированию: по 8 модулей, для 1-2-х и 3-4-х классов. Курс рассчитан на 1-2 занятия в неделю по 45 минут. Изучение курса не требует от детей предварительных знаний, умений и навыков. Теоретический и практический материал адаптирован для восприятия и понимания в соответствии с возрастными возможностями школьников.
Каждый модуль состоит из теоретической и практической частей. Теоретическая часть дает представление ученикам о рассматриваемых понятиях, их роли в 3D-моделировании. В нее входят: презентация с теоретическим материалом, рабочая тетрадь ученика с тематическими заданиями. Практическая часть дает возможность закрепить изученный материал с помощью выполнения заданий в 3D-редакторе. Для учителей подготовлены методические рекомендации с пояснениями.
Выбор программного обеспечения
Программный продукт для реализации Программа обладает продуманным, интуи-наших уроков предложен лидером в области тивно-понимаемым интерфейсом, являясь 3D-моделирования - компанией Autodesk. простым и удобным редактором для подго-
товки моделей к 3D-печати, и идеально подходит для новичков. Официальное название программы TinkerCAD [5], она работает в режиме онлайн, поэтому пользователю не приходится устанавливать и настраивать программный продукт. Бесплатная программа находится по адресу www.TinkerCAD. com. На сайте есть ссылки на действующее сообщество пользователей, в том числе педагогов и учащихся, размещены учебные фильмы и уроки по работе с программой.
TinkerCAD обладает преимуществами, позволяющими активно использовать его в образовательном процессе [4]:
1) создаваемые школьниками модели можно сохранять на сайте либо на локальном диске пользователя в формате файлов STL;
2) программа работает с различными сервисами трехмерной печати (Ponoko, Shapeways и i.Materialise) и принтерами MakerBot;
3) программа имеет большую палитру инструментов и графических образов, есть заготовки для создания трехмерных букв, цифр и других востребованных символов, существует удобный способ изменения размеров моделей и удаления отдельных их элементов;
4) программа основана на технологии WebGL, которая делает возможным отобра-
жение трехмерной графики в браузере, поэтому для работы с программой не требуется устанавливать никаких дополнительных приложений, достаточно лишь браузера, поддерживающего WebGL (Chrome, Firefox или Opera 12 Alpha).
Основные возможности программы TinkerCAD в образовательном процессе в начальной школе, на наш взгляд, связаны со спецификой создания 3D-моделей, основанной на элементарных интуитивных подходах.
Набор 3D-фигур является основным строительным ресурсом TinkerCAD. Любая 3D-фигура может быть добавлена или «вычтена» из целой 3D-модели. Возможно в дополнение к уже существующим 3D-фигурам импортировать новые.
Как уже было сказано, 3D-проекты, созданные в TinkerCAD, хранятся на сайте для легкого доступа из любой точки мира либо на локальном диске с использованием SSL-шифрования. Учащиеся могут легко обмениваться проектами, просто передавая соответствующую ссылку.
Наиболее используемым инструментом TinkerCAD является группировка, позволяющая объединять множество фигур в одну либо «вычитать» из одной фигуры объем, который занимает другая фигура.
Целеполагание экспериментального обучения.
В результате нашей работы над концепцией обучения 3D-моделированию были сформулированы наиболее значимые цели данного курса в обучении, воспитании и развитии младших школьников:
1) развитие пространственного воображения и логического мышления детей;
2) развитие творческой активности и самостоятельности детей при их обучении 3D-моделированию;
3) формирование у детей представлений о работе в команде, способах планирования деятельности и коммуникации;
4) формирование у детей представлений о работе в электронной информационно-образовательной среде;
5) формирование у детей деятельностных основ для получения компетенций в области информационно-коммуникационных технологий;
6) формирование и закрепление у детей первоначальных знаний и представлений об
объектах окружающего мира, их устройстве и назначении.
Подобные задачи определили педагогические принципы и условия разработки и реализации курса:
- использование для обучения простых компьютерных программ с доступным и интуитивно понимаемым интерфейсом;
- использование доступных для детей учебных заданий на развитие пространственного воображения;
- обязательная дидактическая проработка и адаптация материала по 3D-моделированию с учетом возрастных особенностей детей;
- организация проблемного обучения, подготовка контекстных заданий, например в сфере занимательной робототехники;
- подготовка и организация решения детьми групповых заданий по 3D-моделированию;
- применение творческих заданий, в кото-
рых дети проявляют и реализуют индивидуальные потребности и используют собственные воображаемые объекты;
- поощрение творчества и самостоятельности при организации обучения;
- применение реальных моделей объектов окружающего мира - привлекательных, красочных, знакомых и интересных для детей;
- использование игровых форм организации занятий;
- строгое соблюдение санитарных норм работы за компьютером детей младшего школьного возраста.
В таблице приведена структура одного модуля курса из 8 уроков.
Таблица
Структура модуля программы для начальной школы
№ урока Тема урока Ход урока
1 2 3
1 Простые геометрические 3D-объекты и интерфейс программы TinkerCAD Рассматриваются новые понятия на основе уже знакомых понятий: куб, шар, цилиндр, пирамида, 3D-плоскость, интерфейс, горячие клавиши. Выполняются индивидуальные задания в рабочей тетради (нарисовать геометрические тела, нарисовать эскизы указанных объектов, соединить образы горячих клавиш с графическими образами). Выполняются индивидуальные задания за компьютером (работа с плоскостью, изменение цвета, размера, положения объектов, использование горячих клавиш, создание модели объекта окружающего мира)
2 Произвольные геометрические объекты. Вращение плоскости и объектов Рассматриваются основные понятия: произвольные геометрические фигуры, 3D-текст, вращение плоскости, вращение объекта, модель. Выполняются индивидуальные задания в рабочей тетради (рисование указанных произвольных геометрических тел, вращение плоскости через рисунок, вращение объекта через рисунок). Выполняются индивидуальные задания за компьютером (вращение объекта, вращение плоскости)
3 Функции «Объединение предметов» и «Разбиение предметов» в программе TinkerCAD Рассматриваются основные понятия: моделирование, объединение, разбиение. Выполняются индивидуальные задания в рабочей тетради (объединение объектов в один, разбиение объекта на его составляющие). Выполняются индивидуальные задания за компьютером (работа по объединению и разбиению объектов с помощью панели инструментов)
4 Учебная робототехника, устройство робота, моделирование роботов Рассматриваются основные понятия: конструктор, робот, назначение робота, типы роботов, части робота, моделирование частей работа. Выполняются индивидуальные задания в рабочей тетради (конструирование и моделирование робота). Выполняются индивидуальные задания за компьютером (работа по конструированию и моделированию робота в 3D-редакторе)
5 Функция «вырезание объектов» в программе TinkerCAD Рассматриваются основные понятия: полые объекты, наполненные объекты, вырезание одного объекта из другого. Выполняются индивидуальные задания в рабочей тетради (создание полых и наполненных объектов). Выполняются индивидуальные задания за компьютером (объединение фигур, вырезание одного объекта в другом, создание деталей для робота)
Окончание табл.
1 2 3
6 Функции выравнивания и отзеркали-вания (отражения) в TinkerCAD Рассматриваются основные понятия: выравнивание, симметрия, от-зеркаливание (отражение). Выполняются индивидуальные задания в рабочей тетради (дорисовка предметов симметрично, рисование объектов в зеркальном отображении). Выполняются индивидуальные задания за компьютером (выравнивание объектов, отражение объектов)
7 Импорт (вставка) изображений в программе TinkerCAD. Инструменты «Рулетка» и «Соединители» Рассматриваются основные понятия: импорт (вставка), рулетка (линейка), соединители. Выполняются индивидуальные задания в рабочей тетради (создание объектов по определенным параметрам, определение на рисунках соединителей). Выполняются индивидуальные задания за компьютером (импорт файлов с объектами, использование функции «рулетка» и «соединитель»)
8 Итоговая контрольная работа Выполняется индивидуальная контрольная работа, включающая в себя итоговый тест, практическую работу на бумаге, практическую работу за компьютером. Подводятся итоги по изученному курсу
Разработанный курс обсуждался на круглом столе «Обучение, воспитание и развитие детей дошкольного и младшего школьного возраста» в рамках всероссийской научно-практической конференции «Формирование и развитие предпринимательских компетенций молодёжи» в г. Новокузнецке (октябрь 2016), на семинаре «Формирование ИКТ-компетенций в начальной школе» (март 2015). В течение 2016/2017 учебного года курс прошел апробацию в школах
и учреждениях дополнительного образования г. Новокузнецка, Амурской области и Санкт-Петербурга.
В настоящее время авторы курса работают над созданием учебника по 3D-моделированию для учреждений дополнительного образования детей. В учебнике линия 3D-моделирования будет рассмотрена в контексте технического творчества и конструирования детей младшего школьного возраста.
Библиографический список
1. Ермолаева А. А. Моделирование на уроках в начальной школе. - М.: Глобус; Волгоград: Панорама, 2009. - 140 с.
2. Козлова Т. В., Чернопольская К. Н. Компьютерная графика и 3D-моделирование в начальном общем образовании // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки: сб. ст. по мат. XI Междунар. студ. науч.-практ. конф. -2013. - № 11. - C. 35-42.
3. Методическое письмо по вопросам обучения информатике в начальной школе [Электронный ресурс] // Министерство образования и науки России: офиц. сайт. - URL: минобрнауки.рф (дата обращения: 12.08.2016).
4. МожаровМ. С., Можарова А. Э. Обучение младших школьников использованию технологии 3D-моделирования в программе TinkerCAD // Формирование и развитие предпринимательских компетенций молодежи: сб. ст. Всероссийской на-
учно-практической конференции. - Новокузнецк: НФИ КемГУ, 2016. - С. 198-205.
5. TinkerCAD [Электронный ресурс]: офиц. сайт. - URL: https://www.tinkercad.com/about,(дата обращения: 17.12.2016).
6. Учебные пособия и руководства по TinkerCAD [Электронный ресурс]: офиц. сайт. -URL: https://www.tinkercad.com/learn/, (дата обращения: 17.12.2016).
7. Cohen C. A., Hegarty M. Spatial visualization training using interactive animation // Conference on research and training in spatial intelligence, Sponsored by National Science Foundation, Evanston, IL. - 2007. - June, 13-15. - P. 179-184.
8. Isik-Ercan Z., Kim B., Nowak J., Can 3D Visualization Assist in Young Children's Understanding of Sun-Earth-Moon System? // International Journal of Knowledge Society Research (IJKSR). - 2012. - Vol. 3. - P. 12-21.
Сибирский педагогический журнал ♦ № 2 / 2017
24
_UPBRINGING AND TRAINING QUESTIONS_
9. Mnaathr S. H., Basha A. D. Descriptive Study PLANET) // Computer Science and Information of 3D Imagination to Teach Children in Primary Technology. - 2013. - № 1 (2). - P. 111-114. Schools: Planets in Outer Space (SUN, MOON, Our
Статья поступила в редакцию 15.01.2017
Mozharov Мaxim Sergeevich
Cand. Sci. (Pedag.), Full Prof., Head of the Department Theory and Methods of Information Science, Novokuznetsk institute (branch) of Kemerovo State University, mogarov@yandex.ru, Novokuznetsk
Mozharova Anna Eduardovna
Senior Lecturer of the Department Theory and Methods of Information Science, Novokuznetsk institute (branch) of Kemerovo State University, mogarova@yandex.ru, Novokuznetsk
TRAINING OF PRIMARY-SCHOOL CHILDREN FOR 3D-MODELING
Abstract. The authors draw attention to the rapid development of information technology 3D-mod-eling and prototyping, the need to prepare people's livelihood in the new environment. The article actualizes the problem of training students to the new realities of the world system of commodity production based on 3D-modeling and 3D-printing in school. The authors propose to start primary school and use this program TinkerCAD. This article analyzes the possibilities of the program and its features and benefits of the use in teaching in elementary school. It is noted that the program is accessible and intuitive interface, supports essential operations with objects, you can easily change the exposure of objects, rotate and move them in any direction. The article presents the main objectives of the course 3D-modeling for the elementary school and the principles of training.
Keywords: 3D-modeling, 3D-printing, interface, software, elementary school, informatics, organization of training, education, development.
References
1. Yermolayeva, A. A., 2009. Modelirovanie na urokax v nachal'noj shkole [Modeling in the classroom in an elementary school]. Moscow: Globus; Volgograd: Panorama, 140 p. (In Russ.).
2. Kozlova, T. V., Chernopol'skaya K. N., 2013. Komp'yuternaya grafika i 3D-modelirovanie v na-chal'nom obshhem obrazovanii [Computer graphics and 3D modeling in elementary General education]. Nauchnoe soobshhestvo studentov XXI stoletiya. Texnicheskie nauki [Scientific community of students of XXI century, engineering sciences]. Novosibirsk, pp. 35-42 (In Russ.)
3. Metodicheskoe pis'mo po voprosam obucheniya informatike v nachal'noj shkole [Methodical letter for teaching computer science in elementary school]. Min-isterstvo obrazovaniya i nauki Rossii [The Ministry of Education and Science of Russia]. Available at: http:// www.mon.gov.ru (accessed 12 August 2016) (In Russ.).
4. Mozharov, M. S., Mozharova, A. E., 2016. Obuchenie mladshix shkol'nikov ispol'zovaniyu texnologii 3D-modelirovaniya v programme Tink-erCAD [Training of younger schoolboys the use of 3D-modeling technology TinkerCAD program]. Formirovanie i razvitie predprinimatel'skix kom-
petencij molodezhi [Formation and development of youth entrepreneurship competencies]. Novokuznets: KemSU, pp. 198-205. (In Russ.).
5. TinkerCAD. Available at: https://www.tinker-cad.com (accessed 17 December 2016).
6. Uchebnye posobiya i rukovodstva po TinkerCAD [Tinkercad tutorials & how-to's]. Available at: https://www.tinkercad.com/learn (accessed 17 December 2016) (In Russ.).
7. Cohen, C. A., Hegarty, M., 2007. Spatial visualization training using interactive animation. Conference on research and training in spatial intelligence, Sponsored by National Science Foundation, Evanston, IL. June, 13-15. pp. 179-184.
8. Isik-Ercan, Z., Kim, B., Nowak, J., 2012. Can 3D Visualization Assist in Young Children's Understanding of Sun-Earth-Moon System? International Journal of Knowledge Society Research (IJKSR), vol. 3, pp. 12-21.
9. Mnaathr, S. H., Basha, A. D., 2013. Descriptive Study of 3D Imagination to Teach Children in Primary Schools: Planets in Outer Space (SUN, MOON, Our PLANET). Computer Science and Information Technology, 1 (2), pp. 111-114.
Submitted 15.01.2017
