CC BY
24
of the state program of the Russian Federation «Development of Education» for 2018-2025. Available at: http://static.govern-ment.ru/media/files/313b7NaNS3VbcW7qWYslEDbPCuKi6lC6. pdf. (In Russian).
5. Ob utverzhdenii Koncepcii programmy podderzhki detskogo i yunosheskogo chteniya v Rossijskoj Federacii [On approval of the Concept of the program to support children's and youth reading in the Russian Federation]. Decree of the Government of the Russian Federation dated June 3, 2017 No. 1155-r. Available at: https://docs.cntd.ru/document/436739637. (In Russian).
6. Professional'nyj standart «Pedagog (pedagogicheskaya deyatel'nost' v doshkol'nom, nachal'nom obshchem, osnovnom obshchem, srednem obshchem obrazovanii) (vospitatel', uchi-tel')» [Professional standard "Teacher (pedagogical activity in preschool, primary general, basic general, secondary general education) (educator, teacher)"]. Order of the Ministry of Labor and Social Protection of the Russian Federation dated October 18, 2013 No. 30550. Psychological Science and Education, 2014, vol. 19, no. 3, pp. 11-31. (In Russian).
7. Federal'nyjgosudarstvennyjobrazovatel'nyjstandart po nap-ravleniyu podgotovki 44.04.01 Pedagogicheskoe obrazovanie (uroven' magistratury) [Federal State educational standard in the field of training 44.04.01 Pedagogical education (Master's degree level)]. Available at: http://fgosvo.ru/uploadfiles/fgos-vom/440401.pdf (accessed 24.05.2019). (In Russian).
8. Shefer O. R., Kraineva S. V., Lebedeva T. N. Upravlenie razvitiem uchebno-professional'noj motivacii studentov bakalavriata v sisteme vysshego obrazovaniya cherez inspiraciyu kompetencij [Management of the development of educational and professional motivation of undergraduate students in the system of higher education through the inspiration of competencies]. Chelyabinsk, 2020, 319 p. (In Russian).
9. Shefer O. R., Kraineva S. V. Podhody k psihologicheskomu issledovaniyu formirovaniya uchebno-professional'noj moti-vacii vysshego obrazovaniya [Approaches to the psychological study of the formation of educational and professional motivation in higher education]. Psychology of Learning, 2017, no. 12, pp. 82-94. (In Russian).
УДК/UDC 378 EDN ОБУИД
Бощенко Татьяна Викторовна
доцент кафедры «Прикладная механика» института транспорта, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень
Никитина Любовь Ивановна
доцент кафедры «Прикладная механика» института транспорта, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень
Спирина Ирина Николаевна
ассистент кафедры «Прикладная механика» института транспорта, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень
Boshchenko Tatyana V.
Associate Professor at the Department of Applied Mechanics, Institute of Transport, Industrial University of Tyumen, Tyumen
Nikitina Lyubov I.
Associate Professor at the Department of Applied Mechanics, Institute of Transport, Industrial University of Tyumen, Tyumen
Spirina Irina N.
Assistant at the Department of Applied Mechanics, Institute of Transport, Industrial University of Tyumen, Tyumen
ОСНОВЫ ПРОТОТИПИРОВАНИЯ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ БУДУЩИХ ИНЖЕНЕРОВ
BASICS OF PROTOTYPING IN EDUCATIONAL PROCESS OF FUTURE ENGINEERS
Введение. Цель статьи - представить опыт внедрения основ прототипирования в общеинженерных дисциплинах, преподаваемых в Тюменском индустриальном университете (ТИУ).
Методология. Работа выполнена на основе технологии контекстного образования.
Результаты представлены в виде разработанных авторами статьи контрольных заданий и курсов.
Заключение. Авторы формулируют основные результаты, которые были достигнуты при внедрении основ прототипирования в общеинженерных дисциплинах.
Introduction. The article is aimed at presenting the experiences of implementing the basics of prototyping in general engineering disciplines taught at the Industrial University of Tyumen (IUT).
Methodology. The work was based on contextual education technology.
Results. The results are presented in the form of control tasks and courses developed by the authors of the article.
Conclusion. Authors present the main results that were achieved when implementing the basics of prototyping in general engineering disciplines.
Ключевые слова: прототипирование, технология контекстного образования, 3D-ne4aTb, высшее техническое образование.
Keywords: prototyping, contextual education technology, 3D printing, higher technical education.
Введение
Понятие «инженер» подразумевает под собой специалиста, профессионально занимающегося инженерной деятельностью (инженерным делом). Согласно ГОСТу Р 57306-2016, инженерным делом считается профессиональная деятельность, использующая различные подходы для создания и применения информации об объектах, процессах и др., с целью получения новой сущности [1, с. 7]. Поэтому цель образовательного процесса - обучить будущего инженера его профессиональной деятельности, при этом дать актуальные подходы, информацию об объектах, процессах, что сформирует инженера, востребованного и конкурентоспособного на рынке труда.
В современном мире прототипирование является важным этапом создания нового продукта, и это касается не только инженерных разработок. Так, в Кремниевой долине минимальный жизнеспособный продукт (по сути, прототип) является обязательным этапом развития стартапов [2]. Кроме того, минимальный жизнеспособный продукт является обязательным критерием оценки выпускной квалификационной работы (ВКР) обучающихся, проходящих защиту ВКР в формате «стартап как диплом». Программа «Стартап как диплом», реализуемая Министерством науки и высшего образования Российской Федерации, направлена на вовлечение талантливых студентов в развитие экосистемы технологического предпринимательства, поддержку стартапов на начальной стадии и их развитие в будущем.
В инженерном деле подход разработки объекта, процесса, системы и прочего, основанный на применении прототипирования [3], представляет собой ускоренную реализацию объекта с минимальным количеством требуемых функций, называемого прототипом, для возможности его анализа и совершенствования. Такой подход позволяет инженеру сни-
зить риски и повысить качество разрабатываемого объекта.
Критериями эффективного применения подхода прототипирования являются [4]:
1. Автоматизация шаблонных решений и рутинной работы с целью увеличения времени на остальные этапы создания объекта.
2. Возможность беспрепятственного взаимодействия участников проекта с прототипом создаваемого объекта.
3. Снижение затрат на реализацию разрабатываемого объекта.
Прототипирование в инженерном деле базируется на двух основных технологиях: компьютерное моделирование и 3D-печать.
Компьютерное моделирование используется для создания цифровой модели прототипа. Цифровая модель создается, как правило, в CAD (Computer-Aided Design) и CAE (Computer-Aided Engineering) системах. CAD-системы нацелены на разработку геометрии разрабатываемого объекта, а также автоматизацию разработки проектной документации [5; 6]. CAE-системы дают возможность выполнить инженерные расчеты и смоделировать физические процессы, которые происходят с разрабатываемым объектом в период его эксплуатации. Отличие цифрового прототипа от цифрового двойника заключается в том, что цифровой двойник является моделью уже существующего объекта, а прототип - это только один из этапов создания объекта, но в обоих случаях используются CAE-системы.
Технология 3D-печати нашла широкое применение при экспериментальном, единичном и мелкосерийном производстве. Основным преимуществом этой технологии является отсутствие необходимости создания производственных мощностей для реализации разрабатываемого объекта (сегодня 3D-принтер небольших размеров можно заказать в интернет-магазине). Поэтому 3D-печать расширяет возможности прототипирования, позволяя протестировать разрабатываемый объект на соответствие геометрической форме, размерам, функционалу, цвету, механическим характеристикам [7] до начала полномасштабного производства.
Основная цель статьи - представить опыт внедрения основ прототипирования в общеинженерных дисциплинах, преподаваемых в Тюменском индустриальном университете (ТИУ).
Методология
Методологической основой при разработке курсов с элементами прототипирования является техноло-
гия контекстного образования [8-10], т. к. понимание основ прототипирования у обучающихся реализуется не в результате простой трансляции знаний, а в процессе собственной деятельности обучающегося, когда он работает с цифровой моделью прототипа и ищет пути решения поставленной ему задачи. В этом плане очень эффективно происходит интеграция прототипирования с дисциплиной «Инженерная и компьютерная графика» [11; 12]. В ходе обучения этой дисциплине даются навыки работы с CAD-системой (AutoCAD), далее обучающийся получает задание по разработке прототипа, взятого из конкретных практических ситуаций [13-15]. Это позволяет обучающемуся самому решать практическую задачу, а CAD-систему использовать как инструмент для ее решения, что формирует целостное понимание профессиональной деятельности будущего инженера.
Кроме того, решаются несколько конкретных противоречий традиционного образования [16, с. 140]:
1) абстрактная информация и реальный предмет труда. Выполнение при помощи 3D-печати разработанного обучающимся прототипа осуществляет переход от абстрактной информации к реальному физическому результату;
2) несвязность учебных дисциплин и система знаний в трудовой деятельности. Разработка прототипа потребует от обучающегося применения полученных знаний из других дисциплин (детали машин и основы конструирования, материаловедение, сопротивление материалов) или поиск и усвоение этих знаний в случае их отсутствия по каким-либо причинам;
3) стандартная задача в обучении и неопределенность трудовых задач. При выдаче задания преподаватель не имеет представления о том, каким должен быть итоговый результат. Решение технического задания обучающимся является результатом его творческой деятельности.
Главной задачей внедрения основ прототипирования в общеинженерные дисциплины является формирование у обучающегося представления и выполнения целостной профессиональной деятельности будущего инженера.
Результаты
В качестве результатов интеграции основ прототипирования, общеинженерных дисциплин и технологии контекстного образования представим разработанные в ТИУ авторами статьи задания и курсы, а также прототипы, созданные обучающимися.
При преподавании дисциплин «Инженерная и компьютерная графика» и «Начертательная геометрия.
Компьютерная графика» в качестве итоговой аттестационной работы обучающийся (или малая группа обучающихся) выполняет в течение нескольких занятий разработку цифровой модели прототипа по полученному техническому заданию. Для наглядности представим пример технического задания: спроектировать прототип кронштейна для мобильного телефона.
Технические требования к результату:
- возможность крепления конструкции к решетке дефлектора на приборной панели автомобиля;
- фиксация мобильного телефона;
- вращение телефона вокруг 3 координатных осей;
- соблюдение ограничений, обусловленных применением технологии SLS (Selective Laser Sintering -селективное лазерное спекание).
При оценке работ учитывается:
- моделирование и детальная проработка элементов прототипа;
- соответствие прототипа техническому заданию;
- соблюдение требований 3D-печати (габаритные размеры, зазоры между элементами, между деталями и сопрягаемыми движущими частями, объем использованного материала).
На рисунке 1 представлен результат выполнения задания группой студентов 2-го курса, обучающихся по направлению 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» (бакалавриат).
Рис. 1. Прототип кронштейна для мобильного телефона, разработанный студентами ТИУ
На рисунках 2 и 3 представлены результаты выполнения олимпиадных заданий по прототипированию студентами ТИУ.
Цифровая модель прототипа
Рис. 2. Выполненная
В рамках создания инженерного ядра в ТИУ авторами статьи разработан специальный элективный курс «^-моделирование и прототипирование изделий». Цель курса - формирование компетенций обучающегося, необходимых для использования средств 3D-моделирования и прототипирования изделий в рамках развития Четвертой промышленной рево-лючии (Индустрии 4.0) в Российской Федерации. При этом курс направлен на развитие принципа «техническая поддержка» Четвертой промышленной революции, т. к. CAD-системы позволяют формировать, анализировать и визуализировать информацию о разрабатываемом инженером объекте, что значительно сокращает количество рутинных операций.
Основными задачами курса являются:
- получение знаний по 3D-моделированию;
- 3D-технологии построения чертежа при прототи-пировании изделий и функциональные возможности программных и технических средств;
- формирование навыков и умений при разработке трехмерных моделей промышленных объектов;
- создании электронного трехмерного прототипа изделия с использованием 3D-принтера;
- подготовка студентов ТИУ к участию в олимпиадах по 3D-моделированию и прототипированию.
Запуск элективного курса у обучающихся ТИУ запланирован на 2022/23 учебный год. Курс входит в учебные планы следующих направлений: 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии»; 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»; 15.03.01 «Машиностроение»; 15.03.05 «Конструкторско-технологичес-кое обеспечение машиностроительных производств»;
Прототип, напечатанный на 3D-принтере студента-победителя ТИУ
Рис. 3. Прототип модели «Велосипед», разработанный студентом ТИУ
15.03.06 «Мехатроника и робототехника»; 21.03.01 «Нефтегазовое дело»; 23.03.02 «Наземные транс-портно-технологические комплексы».
Заключение
На основе изложенного можно сделать следующие выводы.
1. Прототипирование - важный инструмент в профессиональной деятельности современного инженера.
2. Обучение основам прототипирования по технологии контекстного образования решает несколько конкретных противоречий традиционного образования и дает целостное представление обучающемуся о его профессиональной деятельности.
3. Знание основ прототипирования позволяет обучающимся достигать значительных результатов при выполнении олимпиадных задач и других инженерных студенческих конкурсных заданий.
Литература
1. ГОСТ Р 57306-2016 Инжиниринг. Терминология и основные понятия в области инжиниринга. М., 2018. 15 с.
2. Зябкина У Инструменты современного предпринимателя // Управление экономическими системами. 2014. № 10 (70). С. 61-71.
3. Алиев А. В. Мастер-класс «Технология прототипирования» // Технолого-экономическое образование. 2017. № 7. С. 71-79.
4. Брекалов В. Г., Терехова Н. Ю. Технология прототипирования при создании физических моделей из полимерных материалов // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2015. № 4. С. 6-9.
5. Папуловская Н. В. Педагогическая модель формирования социально-профессиональных компетенций у студентов вуза на примере дисциплины «компьютерная графика и анимация» // Профессиональное образование в России и за рубежом. 2011. № 1 (3). С. 81-91.
6. Ожга М. М. Модель обучения будущих инженеров-педагогов системам трехмерного компьютерного проектирования // Профессиональное образование в России и за рубежом. 2014. № 3 (15). С. 60-66.
7. Чепур П. В., Тарасенко А. А. Создание и верификация численной модели резервуара РВСПК-50000 // Фундаментальные исследования. 2015. № 7-1. С. 95-100.
8. Исупова Е. В. Организация профессионально ориентированной самостоятельной деятельности: к проблеме оптимизации результатов подготовки бакалавров по направлению «Нефтегазовое дело» // Профессиональное образование в России и за рубежом. 2016. № 2 (22). С. 118-124.
9. Левина Е. Ю., Никулин С. Г. Социокогнитивный подход в концепции образования взрослых // Профессиональное образование в России и за рубежом. 2019. № 4 (36). С. 106-112.
10. Гаврилюк Н. П. Педагогика и психология высшей школы. Тюмень, 2017. 120 с.
11. Бощенко Т. В., Чепур П. В., Жуков А. А. Опыт подготовки студентов к участию в олимпиадах и конкурсах по 3D моделированию сборочных единиц // Современные наукоемкие технологии. 2016. № 3-2. С. 231-235.
12. Кочина Т. Б., Мельникова Т. Н., Фокина Н. И. Компьютерная графика. Графическая система AutoCAD. Нижневартовск, 2005. 66 с.
13. Никитина Л. И., Пяльченков В. А. Теория механизмов и машин. Тюмень, 2019. 138 с.
14. Бабичев Д. Т., Лебедев С. Ю. Опыт ТИУ по использованию компьютерных методов проектирования в курсе теории механизмов и машин // Проблемы машиноведения. Омск, 2019. Т. 1. С. 21-31.
15. Гаврилюк Н. П., Лебедев С. Ю., Тян Р. В. Психолого-педагогические основы моделирования интегративного курса в условиях обучения в аспирантуре // Вузовская наука: проблемы подготовки специалистов. Тюмень, 2019. С. 30-33.
16. Вербицкий А. А. Теория и технологии контекстного образования. М., 2017. 340 с.
References
1. GOST R 57306-2016 Inzhiniring. Terminologiya i osnovnye ponyatiya v oblasti inzhiniringa [GOST R57306-2016 Engineering. Terminology and basic concepts in the field of engineering]. Moscow, 2018, 15 p. (In Russian).
2. Zyabkina U. Instrumenty sovremennogo predprinimatelya [Tools of a modern entrepreneur]. Management of Economic Systems, 2014, no. 10 (70), pp. 61-71. (In Russian).
3. Aliev A. V. Master-klass «Tekhnologiya prototipirovaniya» [Master class "Technology of prototyping"]. Technological and Economic Education, 2017, no. 7, pp. 71-79. (In Russian).
4. Brekalov V. G., Terekhova N. Yu. Tekhnologiya prototipirovaniya pri sozdanii fizicheskih modelej iz polimernyh materialov [Prototyping technology for creating physical models from polymeric materials]. All materials. Encyclopedic reference book, 2015, no. 4, pp. 6-9. (In Russian).
5. Papulovskaya N. V. Pedagogicheskaya model' formirovaniya social'no-professional'nyh kompetenciju studentov vuza na primere discipliny Y'komp'yuternaya grafika i animaciya\" [The Pedagogical Model of Social-Professional Competences Forming among Higher Education Students on the Example of the Course "Computer Graphics and Animation"]. Professional Education in Russia and Abroad, 2011, no. 1 (3), pp. 81-91. (In Russian).
6. Ozhga M. M. Модель обучения будущих инженеров-педагогов системам трехмерного компьютерного проектирования [Model of teaching three-dimensional computer-aided design systems to future engineers-teachers]. Professional Education in Russia and Abroad, 2014, no. 3 (15), pp. 60-66. (In Russian).
7. Chepur P. V., Tarasenko A. A. Sozdanie i verifikaciya chislennoj modeli rezervuara RVSPK-50000 [Numerical modeling and verification of tank RVSPK-50000]. Fundamental Research, 2015, no. 7-1, pp. 95-100. (In Russian).
8. Isupova E. V. Организация профессионально ориентированной самостоятельной деятельности: к проблеме оптимизации результатов подготовки бакалавров по направлению «Нефтегазовое дело» [Organization of professional-oriented independent activity: the optimization of educational results of the bachelors in oil and gas engineering training]. Professional Education in Russia and Abroad, 2016, no 2 (22), pp. 118-124. (In Russian).
9. Levina E. Yu., Nikulin S. G. Sociokognitivnyj podhod v koncepcii obrazovaniya vzroslyh [Socio-cognitive approach in the concept of adult education]. Professional Education in Russia and Abroad, 2019, no. 4 (36), pp. 106-112. (In Russian).
10. Gavrilyuk N. P. Pedagogika i psihologiya vysshejshkoly [Pedagogy and psychology of higher education]. Tyumen, 2017, 120 p. (In Russian).
11. Boschenko T. V., Chepur P. V., Zhukov A. A. Opyt podgotovki studentov k uchastiyu v olimpiadah i konkursah po 3D modelirovaniyu sborochnyh edinic [Training experience student team to participate in olympiads and competitions on 3D simulations of assembly units in computer design]. Modern Science-Intensive Technologies, 2016, no. 3-2, pp. 231-235. (In Russian).
12. Kochina T. B., Melnikova T. N., Fokina N. I. Komp'yuternaya grafika. Graficheskaya sistema AutoCAD [Computer graphics. AutoCAD Graphics System]. Nizhnevartovsk, 2005, 66 p. (In Russian).
13. Nikitina L. I., Pyalchenkov V. A. Teoriya mekhanizmov i mashin [Theory of mechanisms and machines]. Tyumen, 2019, 138 p. (In Russian).
14. Babichev D. T., Lebedev S. Yu. Opyt TIU po ispol'zovaniyu komp'yuternyh metodov proektirovaniya v kurse teorii mekhanizmov i mashin [TIU experience in the use of computer-aided design methods in the course of the theory of mechanisms and machines]. Problems of Mechanical Engineering. Omsk, 2019, vol. 1, pp. 21-31. (In Russian).
15. Gavrilyuk N. P., Lebedev S. Yu., Tyan R. V. Psihologo-pedagogicheskie osnovy modelirovaniya integrativnogo kursa v usloviyah obucheniya v aspiranture [Psychological and pedagogical fundamentals of modeling an integrative course in the conditions of training in graduate school]. University science: problems of specialist training. Tyumen, 2019, pp. 30-33. (In Russian).
16. Verbitsky A. A. Teoriya i tekhnologii kontekstnogo obrazovaniya [Theory and technologies of contextual education]. Moscow, 2017, 340 p. (In Russian).
