Об одном педагогическом эксперименте в преподавании начертательной геометрии и инженерной графики

    В традиционном подходе к преподаванию дисциплины 'Начертательная геометрия. Инженерная графика' ('НГ.ИГ') основным источником информации об изучаемом или проектируемом объекте служат чертежи (ортогональные и аксонометрические проекции), необходимые и достаточные для мысленного воспроизведения его формы и положения в пространстве.

    Внедрение компьютерных технологий трехмерного моделирования в учебный процесс инженерных ВУЗов требует переосмысления сложившихся традиций, так как наиболее полным, точным и наглядным источником информации об объекте становится его 3D-модель (электронный макет), с использованием которой может быть оформлена, при необходимости, конструкторская документация на электронных или бумажных носителях. Нельзя не согласиться с позицией авторов работы [1]: 'Примерная программа дисциплины 'НГ.ИГ', обобщая многолетний опыт, отражает устаревшую методологию инженерной деятельности, поскольку в то время не было возможности обобщить, концептуально осмыслить и обоснованно спрогнозировать последствия развития компьютерных технологий'.

    Необходимость радикальных преобразований в преподавании инженерных дисциплин отмечается и в работе [2]: '...использование прикладных информационных технологий это не простая замена традиционного кульмана на 'электронный'. Это по существу смена парадигмы и производства и образования, связанная с системной интеграцией производственных и информационных технологий, переходом от чертежа и других бумажных конструкторских и технологических документов к электронным документам, использованию моделей разных процессов жизненного цикла изделий'.

    При разработке новой методологии преподавания 'НГ.ИГ' следует учитывать еще и то обстоятельство, что развитие программно-аппаратных средств автоматизированного проектирования и подготовки производства идет по пути постепенного превращения их в комплексную имитационную среду - виртуальную инженерию [3].

    Уже на ранних стадиях такого превращения были созданы и реализованы 'безбумажные' проекты в наукоемких отраслях зарубежного машиностроения. Так, корпорация 'Боинг' создала лайнер Боинг 777 без единого бумажного чертежа и при снижении расходов на 20%, используя CAD\CAM\CAE CATIA, а 50 инженеров фирмы 'Локхид-Мартин' спроектировали (с помощью той же САПР) самолет-невидимку 'Дарк Стар' всего за 9 месяцев и без применения натурного макетирования.

    Перед преподавателями начертательной геометрии и инженерной графики вырисовывается, откровенно говоря, неутешительная перспектива оказаться безработными в не столь уж отдаленном будущем, когда полномасштабная виртуальная инженерия станет объективной реальностью. Уже при современном уровне развития компьютерных технологий 'сфера влияния' инженерной графики, и тем более начертательной геометрии, на процессы автоматизированного проектирования и подготовки производства существенно сужается. В этом нетрудно убедиться при рассмотрении представленных на рис.1 двух вариантов автоматизированной конструкторско-технологической подготовки производства деталей, изготавливаемых, к примеру, механообработкой.

    Для получения электронного макета детали конструктор либо использует заранее созданный эскиз на бумажном носителе (при проектировании 'от деталей к сборке'), либо просто вычленяет модель детали из электронного макета сборки (при проектировании 'от сборки к деталям'). На этом этапе работы конструктору достаточно иметь самое общее представление об основных положениях 'НГ.ИГ'.

   

Рис. 1

   

    По варианту 1 (изготовление детали на станках с ЧПУ) конструкторская подготовка производства могла бы на этом и закончиться, если бы не неизбежные в ходе работы над проектом изменения конструкции детали, обусловленные требованиями технологичности, ремонтопригодности, эксплуатационной надежности и пр.

    По варианту 2 (изготовление детали на универсальных станках) требуется оформление как технологической, так и конструкторской документации на бумажных носителях. Если учесть, что в станочном парке отечественной промышленности значительную долю (по разным оценкам от 70 до 80 процентов) составляют универсальные станки, то преподаватели 'НГ.ИГ' в российских ВУЗах еще долгие годы не останутся без работы, но при этом им придется осваивать особенности новой методологии проектирования, глубоко интегрированной с непрерывно совершенствующимися компьютерными технологиями. Одной из таких особенностей, в частности, может стать переход от привычных плоских чертежей (рис.2) к фотореалистическим изображениям объемной модели проектируемого изделия (рис.3), получившим не самое удачное название 'трехмерные чертежи'.

   

Рис. 2

   

    Новая методология проектирования требует и новой методологии преподавания начертательной геометрии и инженерной графики.

    Начиная с 2006/2007 учебного года, на кафедре инженерной графики ВВИА имени Н.Е.Жуковского в одном из учебных отделений проводится педагогический эксперимент с перераспределением учебного времени между основными разделами дисциплины 'НГ.ИГ'. Согласно новому (экспериментальному) тематическому плану примерно 80% от всех графических работ, в том числе лабораторных и курсовой, курсанты выполняют на компьютерах, причем одна, меньшая, часть этих работ проводится в режиме точных построений 3D-моделей, а другая, большая часть - в режиме эскизного (концептуального) проектирования, в наибольшей степени способствующем развитию творческих возможностей обучаемых.

   

Рис. 3

   

    При неизменном бюджете учебного времени (112 часов), выделяемого на изучение 'НГ.ИГ', в новом тематическом плане предусмотрено значительное сокращение часов, отводимых на изучение начертательной геометрии и выполнение эскизов и чертежей за механическим кульманом (рис.4).

   

Рис. 4

   

    Из раздела 'Начертательная геометрия' исключены темы 'Прямая и плоскость в ортогональных проекциях' и 'Способы преобразования проекций', а сам этот раздел, получивший наименование 'Начертательная геометрия - теоретическая основа инженерной графики', акцентирован на более детальное рассмотрение таких геометрических форм, как кривые линии, многогранные и кривые поверхности, для чего на кафедре созданы экранные пособия 'Многогранники' и 'Кривые линии и поверхности'.

    По новому тематическому плану обучаемые работают за механическим кульманом только при выполнении трех графических работ: 'Проекционное черчение', 'Построение эскизов и чертежей деталей' и 'Деталирование'.

    Выполняя задание на проекционное черчение, курсанты осваивают способы построения треьей проекции по двум заданным, а также получают навыки создания разрезов и сечений в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД (рис.5).

   

Рис. 5

   

    Типовые натурные детали, используемые для построения эскизов без применения чертежных инструментов на клетчатой бумаге представлены на рис.6.

   

Рис. 6

   

    По созданным эскизам обучаемые разрабатывают на листах ватмана рабочий чертеж детали ?1 и диаметрическую проекцию детали ?2. В результате выполнения данного задания курсанты приобретают знания, необходимые для грамотного построения и оформления эскизов и чертежей деталей машиностроительного профиля:

    - по определению достаточного числа чертежных видов и их расположению;

    - по рациональному выбору масштаба изображения;

    - по измерительным базам и правилам нанесения линейных и угловых размеров;

    - по определению и обозначению шероховатости поверхностей;

    - по графическому и буквенно-цифровому обозначению марок материалов;

    - по правилам заполнения основной надписи на эскизах и чертежах и др.

    Образцы выполнения эскизов и чертежей типовых натурных деталей приведены на рис.7...10. Следует подчеркнуть, что данное задание, как показывает опыт, представляет довольно значительные трудности для курсантов, особенно для тех из них, кто не занимался черчением в средней школе.

   

Рис. 7

   

Рис. 8

   

Рис. 9

   

Рис. 10

   

    Работа за механическим кульманом завершается выполнением задания на деталирование, в ходе которого курсанты получают особенно важные для инженера-эксплуатационника навыки чтения чертежей общего вида и сборочных (рис.11) и создания по ним рабочих чертежей деталей (рис.12).

   

Рис. 11

   

Рис. 12

   

    По новому тематическому плану раздел 'Основы САПР и компьютерной инженерной графики' включает в себя 10 лабораторных и одну курсовую работу, выполняемых в компьютерном классе кафедры с использованием CAD-модуля системы ADEM 7.1, разработанной российской компанией Omega ADEM Technologies Ltd. Для проведения лабораторных работ (ЛР) на кафедре подготовлено и издано учебное пособие [4], содержащее необходимые методические указания и рекомендации, а также пошаговые инструкции и алгоритмы построения и редактирования 3D-моделей.

    При проведении ЛР ?1 (рис.13) и ЛР ?2 (рис.14), выполняемых в режиме точных построений (в режиме конструирования), курсанты, руководствуясь соответствующими пошаговыми инструкциями, создают модели деталей ПЕРЕХОДНИК и КОРПУС и оформляют конструкторскую документацию - чертежи этих деталей.

   

Рис. 13

   

Рис. 14

   

   

    В ЛР ?3 (Рис.15) обучаемые получают навыки построения параметрических моделей и чертежей и создают фрагмент сборочной единицы ФИЛЬТР способом 'от деталей к сборке'.

   

    ЛР ? 4 (Рис.16) проводится, как и все последующие, в режиме эскизного проектирования с целью продемонстрировать возможности получения объемных моделей по их трем или двум заранее созданным проекциям.

    Выполняя ЛР ?5 (рис.17), ЛР ?6 (Рис.18) и ЛР ?7 (Рис.19), курсанты овладевают приемами твердотельного моделирования деталей ТРУБОПРОВОД, ПАТРУБОК и ЛОПАТКА ТУРБИННАЯ, которые имеют более сложные пространственные формы, чем тела, создаваемые простыми операциями 'Смещение' и 'Вращение'. В ЛР ?7 кроме того демонстрируются способы редактирования модели по дереву ее построений.

   

Рис. 15

   

Рис. 16

   

Рис. 17

   

Рис. 18

   

Рис. 19

   

    В ЛР ?8 (Рис.20) применяется гибридное (поверхностно-твердотельное) моделирование для построения модели КОЛПАК, представляющей собой фигуру двойной кривизны.

   

Рис. 20

   

    ЛР ?9 (Рис.21) - моделирование ЧЕРВЯЧНОЙ ПАРЫ - предназначена для самоконтроля обучаемых (в ее описании дан лишь список используемых операций).

   

Рис. 21

   

    ЛР ?10 (Рис.22) - моделирование сборочной конструкции УСКОРИТЕЛЬ УП-24 способом 'от сборки к деталям' - завершает лабораторный цикл. По созданной модели курсанты оформляют соответствующую конструкторскую документацию - сборочный чертеж и спецификацию.

   

Рис. 22

   

   

    Логическим завершением изучения дисциплины 'НГ.ИГ' по новому тематическому плану является курсовая работа на тему 'Автоматизированное проектирование изделий машиностроения', для успешного выполнения которой обучаемые должны использовать весь комплекс приобретенных знаний, умений и навыков - чтения эскизов и чертежей общего вида, построения по ним моделей сборочных конструкций способом 'сверху - вниз' и создания чертежей входящих в их состав узлов и деталей. Образец 3D-модели, построенной в результате выполнения типового задания на курсовую работу представлен на рис.23.

   

Образцы выполнения курсовой работы

Рис. 23

   

    Созданная модель дополняется комплектом конструкторской документации - сборочным чертежом, спецификацией и чертежами всех деталей, входящих в состав сборки.

   

    В ходе проведения педагогического эксперимента осуществляется строгий контроль успеваемости обучаемых: они должны получить три зачета с оценкой по результатам выполнения эскизов и чертежей за механическим кульманом, лабораторного цикла и курсовой работы.

    Критические замечания и пожелания по повышению качества преподавания начертательной геометрии и инженерной графики просьба направлять по электронной почте: lev210734@yandex.ru.

   

   ЛИТЕРАТУРА

   1. Якунин В.И., Горшков Г.Ф. Инженерное геометрическое образование, которое мы можем потерять. Сборник трудов, посвященный 65-летию кафедры 'Системное моделирование и Инженерная графика', Москва, 'МАТИ' - РГТУ, 2005.

   2. Юрин В.Н. Компьютерный инжиниринг и инженерное образование. М.: Эдиториал УРСС, 2002.

   3. Кунву Ли. Основы САПР CAD/ CAM/ CAE. - СПб.: Питер, 2004.

   4. Каманин Л.Н. Компьютерное моделирование изделий машиностроения и автоматизированная разработка конструкторской документации. М.: ВВИА имени Н.Е.Жуковского, 2006.