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

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

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

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

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

Рис. 5

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

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. 7

   

Рис. 8

Рис. 8

   

Рис. 9

Рис. 9

   

Рис. 10

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. 11

   

Рис. 12

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. 13

   

Рис. 14

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. 15

   

Рис. 16

Рис. 16

   

Рис. 17

Рис. 17

   

Рис. 18

Рис. 18

   

Рис. 19

Рис. 19

   
    В ЛР №8 (Рис.20) применяется гибридное (поверхностно-твердотельное) моделирование для построения модели КОЛПАК, представляющей собой фигуру двойной кривизны.
   

Рис. 20

Рис. 20

   
    ЛР №9 (Рис.21) – моделирование ЧЕРВЯЧНОЙ ПАРЫ – предназначена для самоконтроля обучаемых (в ее описании дан лишь список используемых операций).
   

Рис. 21

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

Рис. 22

Рис. 22

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.
   

Рис. 23

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.

Каманин Л.Н.
2007 год


Статья предоставлена автором

Компьютерная обработка AVV

 Назад