Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема обучения автоматизированному проектированию 11
1.1. Анализ современного состояния и тенденций развития теории и практики САПР в свете проблемы обучения автоматизированному проектированию 11
1.1.1. Истоки проблемы обучения автоматизированному проектированию 12
1.1.2. Состояние и тенденции развития машиностроительных САПР 27
1.1.3. Автоматизация машиностроения и развитие учебных САПР в РФ 33
1.2. Роль методов и средств обучения автоматизированному проектированию в общей проблематике разработки и эксплуатации САПР 41
1.2.1. Задачи кадрового обеспечения проектов внедрения и эксплуатации САПР 41
1.2.2. Разработка и использование методического обеспечения САПР 48
1.3. Основные подходы к решению проблемы обучения автоматизированному проектированию в научных работах 53
1.4. Общие итоги и выводы по разделу №1 70
2. Автоматизированная проектная среда и профессиональные компетенции персонала машиностроительных САПР 72
2.1. Особенности автоматизации проектирования объектов машиностроения 72
2.2. Средства обеспечения современных машиностроительных САПР 82
2.2.1. Типовой состав прикладного программного обеспечения САПР-М 91
2.3. Отражение методологии машиностроительного проектирования в САПР-М 95
2.3.1. Аспекты и стадии машиностроительного проектирования 96
2.3.2. Онтология предметной области проектирования 110
2.4. Компетентностный подход к обучению автоматизированному проектированию 115
2.4.1. Компетентностная модель проектного персонала САПР 117
2.4.2. Модель содержания предметной области обучения АПР 122
2.5. Общие итоги и выводы по разделу №2 125
3. Методическое обеспечение САПР и обучающие функции технологий автоматизированного проектирования 127
3.1. Обучающие компоненты методического обеспечения САПР 127
3.1.1. Компьютерные технологии и средства освоения знаний 141
3.2. Компьютерные технологии и средства обучения умениям и навыкам АПР 145
3.3. Обучающие функции технологий и средств САПР 151
3.3.1. Обучающие функции САЕ-технологий и систем 154
3.3.2. Методы оптимизации в УИ САПР 160
3.3.3. Методы визуализации в УИ САПР 173
3.4. Общие итоги и выводы по разделу № 3 178
4. Методы и средства обучения автоматизированному проектированию на локальных этапах проектных работ 180
4.1. Распространение достижений тренажеростроения на область обучения САПР 180
4.1.1. Педагогико-психологические аспекты тренажеростроения 184
4.1.2. Технические и технологические аспекты тренажеростроения 189
4.2. Обобщение опыта разработки и использования компьютерных тренажеров для обучения автоматизированному проектированию 195
4.2.1. Эволюция методики учебного автоматизированного проектирования на примере разработки тренажеров по САЕ-технологиям 198
4.2.2. Развитие методики УАПР в тренажерах по CAD-технологиям 214
4.2.3. Принципы разработки и эксплуатации АПР-тренажеров 220
4.2.4. Общие рекомендации по разработке сценария тренажа
и сборника учебных проектных задач 225
4.3. Систематизация и обоснование методики учебного автоматизированного
проектирования в среде тренирующих подсистем УИ САПР 228
4.3.1. Основные подходы к развитию инженерных способностей в общей методологии проектирования и теории технического творчества 230
4.3.2. Использование семантики имитационного моделирования для
описания методики УАПР тренирующего типа 239
4.4. Общие итоги и выводы по разделу №4 244
5. Методы и средства обучения автоматизированному проектированию в интегрированной проектно-производственной среде 245
5.1. Назначение, определение, основные принципы создания и использования учебно-научных виртуальных предприятий 245
5.1.1. Научно-производственные центры в высшей школе 247
5.1.2. Технологии и средства промышленной виртуализации 251
5.1.3. Виртуальные предприятия в обучении 253
5.1.4. Основные принципы создания и применения УНВП для обучения автоматизированному проектированию 258
5.2. Разработка архитектуры УНВП и методологической схемы учебного автоматизированного проектирования в интегрированной информационной среде 261
5.2.1. Анализ и моделирование процессов КТПП типового машиностроительного предприятия 262
5.2.2. Методологическая схема учебного автоматизированного проектирования в среде машиностроительного УНВП 283
5.3. Реализация экспериментального машиностроительного УНВП 290
5.3.1. УНВП технического вуза на платформе АСКОН 297
5.3.2. Методика развертывания университетской поставки полномасштабного комплекса САПР в форме УНВП 309
5.4. Общие итоги и выводы по разделу №5 312
6. Исследование эффективности методов и средств обучения навыкам автоматизированного проектирования 313
6.1. Исследование эффективности АПР-тренажеров 314
6.2. Исследование эффективности УАПР в среде УНВП 323
6.3. Общие итоги и выводы по разделу №6 336
Заключение 337
Список сокращений и условных обозначений 339
Список литературы
- Автоматизация машиностроения и развитие учебных САПР в РФ
- Отражение методологии машиностроительного проектирования в САПР-М
- Обучающие функции технологий и средств САПР
- Обобщение опыта разработки и использования компьютерных тренажеров для обучения автоматизированному проектированию
Введение к работе
Актуальность работы. При решении задач модернизации и инновационного развития экономики Российской Федерации прикладным компьютерным технологиям отводится одна из ведущих ролей. Решение проблемы повышения конкурентоспособности промышленных предприятий напрямую связывается с использованием систем автоматизированного проектирования, интегрированных в единое проектно-производственное пространство. Современная наука и практика создания и эксплуатации САПР развиваются по отраслям, при этом в ряду самых сложных и массовых выступают комплексные системы информационной поддержки жизненного цикла изделий машиностроения. Однако развитие и повышение эффективности комплексных систем автоматизированного проектирования и производства (PLM-систем, часто называемых «решениями» – PLM-solutions) сдерживается прежде всего отсутствием квалифицированных специалистов, обладающих необходимыми профессиональными компетенциями для деятельности в интегрированной информационной среде (ИИС). По своему определению автоматизированное проектирование является сложным информационным процессом взаимодействия проектировщиков (персонала САПР) и комплекса средств автоматизации проектных работ. Причем за человеком остаются самые ответственные, интеллектуальные функции, такие как анализ результатов расчетов и принятие проектных решений, которые не могут быть выполнены с помощью формализованных методов и требуют наличия у проектировщиков развитых умений и навыков автоматизированного проектирования. Зачастую уровень квалификации проектного персонала выступает основным фактором, определяющим результативность автоматизированной системы в целом.
С расширением области приложения, углублением специализации и увеличением сложности современных САПР объектов машиностроения (САПР-М) все более важным для успешной автоматизации подготовки производства становится создание эффективных средств и методов обучения автоматизированному проектированию персонала комплексных систем. Это проявляется в значительном увеличении объема и разнообразия методического обеспечения, поставляемого на рынок ведущими разработчиками и интеграторами САПР. Обучение и переподготовка персонала стали обязательным и одним из самых критичных по длительности и результативности этапов в проектах внедрения PLM-решений. Таким образом, современные тенденции развития и неуклонно расширяющаяся практика внедрения и эксплуатации САПР-М выдвигают проблему обучения автоматизированному проектированию объектов машиностроения в число актуальных научных задач, имеющих как теоретическое значение, так и практическую ценность.
Цель работы заключается в повышении эффективности функционирования машиностроительных САПР и сокращении сроков реализации проектов внедрения PLM-решений за счет обучения проектного персонала навыкам автоматизированного проектирования в интегрированной информационной среде.
Объектами исследования являются процессы проектной деятельности персонала в среде интегрированных САПР и виртуальных предприятий машиностроения, средства методического обеспечения (МтО), обучающие функции базовых технологий САПР-М (CAD/CAM/CAE/…/ – «CAх»-технологии).
Предметами разработки и исследования являются методы учебного автоматизированного проектирования (УАПР), принципы создания и эксплуатации компьютерных тренажеров и учебных виртуальных предприятий, предназначенных для обучения автоматизированному проектированию проектного персонала машиностроительных САПР.
Задачи диссертационной работы:
-
Произвести анализ проектно-производственной среды и проектной деятельности персонала САПР в комплексных автоматизированных системах, построенных на базе решений ведущих производителей и интеграторов машиностроительных САПР, с целью определения содержания области обучения автоматизированному проектированию.
-
Систематизировать средства методического обеспечения САПР-М, проанализировать полноту и эффективность известных методов и средств обучения автоматизированному проектированию изделий машиностроения; выделить и развить обучающие функции средств и методов, используемых в промышленных САПР-М.
-
Обобщить опыт создания тренажеров, предназначенных для развития умений и навыков проектного персонала САПР на локальных этапах и процедурах проектных работ (АПР-тренажеров), и разработать метод учебного автоматизированного проектирования тренирующего типа.
-
Разработать метод учебного автоматизированного проектирования объектов машиностроения в среде учебного виртуального предприятия, обеспечивающий ускоренную подготовку и адаптацию проектного персонала САПР, интегрированных в единое информационное пространство автоматизированных производств.
-
Разработать архитектуру специализированного решения автоматизированной проектно-производственной среды в форме виртуального предприятия, предназначенного для обучения автоматизированному проектированию персонала интегрированных машиностроительных САПР; реализовать экспериментальное учебное виртуальное предприятие на базе центра компьютерного проектирования технического вуза и исследовать эффективность разработанных методов и средств.
Методы исследования. Для решения поставленных задач используются методы автоматизированного проектирования, геометрического и функционального компьютерного моделирования объектов машиностроения, в том числе метод конечных элементов, методы оптимизации, принципы компетентностного подхода к профессиональному обучению, теория множеств, методы системного и морфологического анализа.
Научной новизной обладают:
результаты теоретического исследования типологии проектно-производственной среды и средств обеспечения, применяемых в комплексных решениях ведущих производителей и интеграторов САПР-М, позволяющие определить содержание области обучения автоматизированному проектированию, обосновать необходимость создания и использования в комплексных решениях средств методического обеспечения САПР учебного назначения, предназначенных для развития навыков проектного персонала;
принципы и приемы использования и развития обучающих функций машиностроительных САПР, показанные на примере реализации технологий инженерного анализа, оптимизации и визуализации в учебно-исследовательской САПР силовых конструкций;
классификация методического обеспечения учебного назначения, учебно-исследовательских (УИ) САПР с выделением места и роли АПР-тренажеров, предназначенных для формирования у пользователей навыков автоматизированного проектирования с использованием локальных технологий и средств САПР;
впервые введенное понятие и общее определение учебно-исследовательского (научного) виртуального предприятия (УНВП) как специализированного PLM-решения, предназначенного для обучения персонала САПР умениям проектной деятельности в интегрированной информационной среде;
принципы создания и применения профессиональных компьютерных тренажеров и учебных виртуальных предприятий, предназначенных для обучения персонала САПР умениям и навыкам автоматизированного проектирования;
методологические схемы (методы) учебного автоматизированного проектирования тренирующего типа в среде учебно-исследовательских САПР и виртуальных предприятий, отличающиеся от промышленных методов дидактически обоснованной последовательностью операций, использованием приемов активизации познавательной деятельности и развития обучающих функций САПР, обеспечивающих в своем комплексе повышение уровня и ускоренное развитие профессиональных компетенций персонала;
методика исследования эффективности учебного автоматизированного проектирования в среде АПР-тренажеров и УНВП, основанная на использовании критериев оптимальности и закономерностей процесса накопления знаний об объекте проектирования.
Практическая ценность разработанных методов учебного автоматизированного проектирования и средств методического обеспечения САПР заключается в повышении уровня и сокращении времени обучения пользователей машиностроительных САПР, в сокращении сроков реализации проектов внедрения комплексных систем за счет ускорения процессов переподготовки и адаптации проектного персонала САПР-М к условиям профессиональной деятельности в интегрированной информационной среде.
Результаты работы внедрены в компаниях «АСКОН» (г. Санкт-Петербург), «Айти-Консалт» и ОАО «Авиаагрегат» (г. Самара), Центре компьютерного проектирования СамГТУ. Разработки используются: в СГАУ при обучении студентов по специальностям «Автоматизированное управление жизненным циклом продукции» и «Самолето- и верто-летостроение»; в СамГТУ по направлениям подготовки «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» и «Машиностроение», при переподготовке преподавателей и работников предприятий на факультете повышения квалификации; в Пекинском технологическом университете и университете PURDUE (США).
На защиту выносятся:
определение и классификация уровней подготовки проектного персонала САПР (разделы 2.2, 2.3), результаты систематизации и классификация средств методического обеспечения учебного назначения (МтО УН) машиностроительных САПР (таблицы 1, 2);
компетентностная модель проектного персонала и модель содержания области обучения автоматизированному проектированию персонала САПР-М (раздел 2.4);
методики учебного автоматизированного проектирования силовых конструкций, обладающие развитыми дидактическими качествами сборники проектных задач, интерактивные методы оптимизации и визуализации параметров в учебно-исследовательской САПР силовых конструкций (раздел 3);
комплекс АПР-тренажеров и обобщенный метод учебного автоматизированного проектирования тренирующего типа для формирования умений и навыков автоматизированного проектирования у пользователей машиностроительных САПР на локальных этапах и процедурах проектных работ (разделы 4.2, 4.3);
- принципы создания и применения виртуальных предприятий для обучения персона
ла машиностроительных САПР автоматизированному проектированию в интегрированной
информационной среде (раздел 5.1);
архитектура виртуальной проектно-производственной среды учебного назначения и метод учебного автоматизированного проектирования в среде учебного виртуального предприятия (разделы 5.2, 5.3);
результаты внедрения, практической апробации и исследования разработанных методов и средств обучения автоматизированному проектированию (глава 6).
Диссертационные исследования были поддержаны следующими научными программами и договорами.
-
г. «Перспективные информационные технологии в высшей школе». Тема: Разработка и исследование средств компьютерной поддержки обучения автоматизированному проектированию силовых аэрокосмических конструкций (№ ГР: 01960004205).
-
– 2000 гг. «Повышение ресурса, надежности и экономичности ЛА и их двигателей». Тема: Разработка комплекса компьютерных систем для развития творческих способностей инженеров-конструкторов (СГАУ № 04в–Б029–018–202–В8).
-
– 2002 гг. «Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развитие е научного потенциала». Тема: Региональный учебно-научный центр CALS-технологий (№ ГР: 01200112943).
-
– 2004 гг. «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Тема: Разработка и развитие нормативно-методического обеспечения регионального учебно-научного центра CALS-технологий (№ ГР: 01200306275).
2006 – 2007 гг. «Исследования и разработки по приоритетным направлениям государственной поддержки научно-технического развития Самарской области». Тема: Выявление приоритетов научно-технического развития и наиболее актуальных научно-технических проблем конкурентоспособности продукции автомобильного территориально-отраслевого кластера Самарской области (№ ГР: 01200702699).
2008 – 2013 гг. Разработка и опытная эксплуатация экспериментального учебно-научного предприятия на базе центра компьютерного проектирования СамГТУ в соответствии с договорами о сотрудничестве с АСКОН и промышленными предприятиями.
Достоверность полученных результатов обеспечена использованием теоретически обоснованных и практически проверенных технологий автоматизированного проектирования и системной интеграции, подтверждается многолетней практикой применения разработанных методов и средств в учебном процессе вузов, в авторизованных учебных центрах ведущих производителей САПР и результатами проведенных исследований эффективности разработок на статистически значимых выборках.
Апробация работы. Результаты исследований и разработок, приведенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались в пленарном докладе на форуме «Белые ночи САПР» (Санкт-Петербург, 2011), а также
– на международных научных конференциях и симпозиумах: «Применение ИПИ (CALS)-технологий для повышения качества и конкурентоспособности наукоемкой продукции» (г. Москва, 2003); «Применение программных продуктов КОМПАС в высшем образовании» (г. Тула, 2005); «Актуальные проблемы трибологии» (г. Самара, 2007); «Современные компьютерные технологии фирмы DELCAM в науке, образовании и производстве» (г. Самара, 2011, 2013); «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, 2009, 2011); «Развитие творческого потенциала студентов в компетентностной парадигме высшего образования с использованием информационных технологий» (г. Самара, 2011); «Самолетостроение России. Проблемы и перспективы» (г. Самара, 2012);
– на всероссийских научных и научно-методических конференциях: «Автоматизация поискового конструирования и подготовки инженерных кадров» (г. Иваново, 1983); «Актуальные проблемы совершенствования подготовки специалистов авиационного профиля» (г. Москва, 1984); «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (г. Самара, 2007); «Актуальные проблемы машиностроения» (г. Самара, 2009, 2010, 2011); «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (г. Оренбург, 2013).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 45 работ, в том числе 16 статей в рецензируемых научных изданиях [1 - 16], 7 учебных и научно-методических монографий [17-23].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка сокращений и обозначений, списка литературы из 384 наименований. Содержит 342 страницы основного текста, 85 рисунков и 12 таблиц. В 4 приложениях приведены сборники учебных задач, описания тренажеров и экспериментального учебно-научного виртуального предприятия, акты внедрения.
Автоматизация машиностроения и развитие учебных САПР в РФ
Научные основы САПР начали формироваться на самых ранних этапах развития вычислительной техники и компьютерных технологий, когда появились первые экспериментальные и практические работы по применению компьютеров для решения инженерных задач. Как пишет в своей энциклопедической работе «The Engineering Design Revolution» один из самых известных на Западе аналитиков в области САПР Д. Вайс-берг (David Е. Weisberg), «индустрия САПР зародилась в США в середине прошлого века, сразу вскоре после Второй мировой войны, практически одновременно с появлением первых серийных компьютеров...» [383, Ch. 1, р. 3]. По его авторитетному мнению, наибольшее влияние на развитие прикладных компьютерных технологий в целом и САПР в частности оказала разработка в Массачусетском технологическом институте (MIT) [366] в начале 1950-х годов экспериментальных интерактивных технических средств, действующих в комплексе с ЭВМ Whirlwind («Ураган»). Исторические предпосылки этого эпохального проекта также имеют непосредственное отношение к тематике данного исследования.
Истоки исследований в области компьютерных систем в MIT связывают с именем Д. Форестера (Jay Forrester), который в 1944 г. в интересах военного ведомства США приступил к разработке универсального тренажера для пилотов военно-морской авиации. Создание системы Whirlwind принципиально важно для развития базовых компьютерных технологий САПР по следующей причине. Поскольку по условиям проекта этот компьютер был предназначен в качестве аппаратной платформы для учебной системы, он должен был работать в интерактивном режиме. Проблемы организации диалогового взаимодействия обучаемого с компьютером логично привели к необходимости разработки интерактивных программно-технических устройств и средств отображения информации, обеспечивающих коммуникацию оператора с ЭВМ. Так появился первый компьютерный дисплей с электронно-лучевой трубкой и в дальнейшем еще целая серия опытно-конструкторских и научных разработок, послуживших развитию многих современных технологий и средств автоматизированного проектирования. С начала 50-х Whirlwind уже начал эксплуатироваться для решения прикладных инженерных задач и продолжал оказывать вычислительные услуги сообществу исследователей MIT, а в 1959 г. был передан полностью для учебных целей. Таким образом, можно констатировать, что осознание практической значимости задач разработки учебных компьютерных систем и выделение их в качестве самостоятельной научной проблемы имеют столь же давние корни, как и создание первых интерактивных технических средств. Фактически они послужили одним из мотивов для развития компьютерных технологий в MIT, ставшим впоследствии безусловным лидером в области прикладных компьютерных наук и САПР.
В 1952 г. сотрудники лаборатории Форестера Ч. Адаме (Charles Adams) и Д. Гил-мор (Jack Gilmore), разрабатывая алгоритмы интерактивной графики для Whirlwind, написали первую управляемую компьютерную симуляцию. Оператору надо было заставить графическую модель мяча попадать в обозначенное на экране отверстие [336]. С учетом современных взглядов на компьютерное обучение и изначальной цели проекта Whirlwind эту экспериментальную программу уже можно назвать родоначальницей современных обучающих имитационных компьютерных игр.
Первый экспериментальный станок с цифровым управлением, использующим бумажные перфоленты, также был создан в MIT. И уже в 1956 г. действующая под руководством Д. Росса (Doug Ross) в компьютерной лаборатории MIT группа прикладных приложений (Computer Applications Group) разработала первую полноценную инструментальную систему для подготовки управляющих программ - APT (Automatically Programmed Tool system) - и начальную версию одноименного языка программирования цифровых контроллеров. Первая промышленная двумерная версия САМ-системы 2D-АРТ была испытана в 1958 г. APT позволял в символьном виде описывать геометрические элементы деталей и моделировать движение обрабатывающего инструмента. Этот язык стал родоначальником многих других языков программирования для оборудования с числовым программным управлением [91].
Следует обратить внимание, что в работе [373], опубликованной в 1960 г., Россом уже был использован термин «Computer-Aided Design», ставший впоследствии общепринятым обозначением САПР в мировом научном сообществе. В дальнейшем Д. Росс активно участвовал в учебном процессе MIT, а также в организованных там семинарах по общим проблемам САПР [383], и с полным правом может быть причислен к основоположникам методологии автоматизированного проектирования.
Большая часть разработок APT была сделана на Whirlwind и впоследствии переведена на платформу серийных компьютеров IBM по заданию основного заказчика, кото 14 рым стала Ассоциация авиационной промышленности США (Aircraft Industries Association). Следует заметить, что передовые отрасли машиностроения, такие как авто- и авиастроение, а в последующем и ракетно-космическая индустрия оказали существенное влияние на развитие прикладных компьютерных технологий и САПР не только в США, но и в Европе, и у нас в стране [180, 264]. Известная фактография достижений и успехов в области автоматизации проектирования позволяет констатировать, что задачи предметной области машиностроения играют одну из ведущих ролей в теории и практике прикладных компьютерных наук промышленного назначения.
На факультете машиностроения MIT существенное для теории и практики обучения САПР событие произошло в середине 1950-х гг. Тогда институт существенно преобразовал свой учебный план, следуя концепции: каждый студент должен получить современные знания в области геометрического моделирования и конструирования, в том числе с использованием вычислительной техники [383]. Преподаватели, ведущие этот курс, включая С. Кунса (Steven Coons), были объединены на кафедре проектирования (department s Design Division), благодаря чему были приобщены к задачам автоматизации проектных работ. С. Куне, который в течение многих лет работал как математик, в конечном счете прославился своими работами в области прикладного геометрического моделирования в САПР [347]. В настоящее время «поверхности Кунса» применяются практически во всех геометрических ядрах машиностроительных САПР [317].
В 1959 г. в MIT прошла серия семинаров, в которых приняли участие сотрудники компьютерных лабораторий, участвовавшие в проекте Whirlwind, и ученые из отдела проектирования факультета машиностроения, в том числе Росс, Куне и др. Д. Вайсберг пишет, что, «возможно, самое существенное последствие для САПР как науки, следующее из этих семинаров, было определение предмета САПР как «автоматизированное проектирование», а не «компьютеризированный проект», или «компьютерное проектирование», или «автоматическое проектирование»» [383, Ch. 3, р. 10]. В этом определении кроется крайне важная методологическая концепция о компьютерной поддержке (Computer-Aided) творческого процесса проектирования (creative Design process), выполняемого непосредственно человеком. В материалах семинара особо было отмечено, что компьютер может только «помочь инженерам в создании проектов, но не может заменить их». Отсюда вытекает важнейший для проблематики обучения САПР вывод: автоматизированное проектирование является преимущественно «человеческим», творческим, а значит, и трудноформализуемым процессом, эффективность которого будет определяться, прежде всего, квалификацией проектировщиков.
Отражение методологии машиностроительного проектирования в САПР-М
С практической точки зрения составление компетентностной модели проектного персонала САПР-М не является самоцелью, а необходимо для обоснования, конкретизации и формализации процедур формирования области содержания обучения автоматизированному проектированию (СО АПР). При этом деятельностные компетенции по определению должны иметь как когнитивные, так и навыковые составляющие. Например, для реализации в САПР технологий инженерного анализа (САЕ-технологии) проектировщик должен знать определенные разделы теории МКЭ, которые необходимо определенным образом связать с умениями и способностями построить адекватную КЭМ и оценить полученные результаты. На операциональном уровне они должны быть связаны с функционалом конкретного модуля ПМК САПР и дополнены развитыми навыками использования программно-технических средств. Для принятия инженерных решений на системном уровне необходимы знакомство со смежными САх-технологиями (например, CAD/САМ) и владение средствами управления инженерными данными (PDM-технологии) и т.д.
Когнитивным и навыковым составляющим деятельных компетенций могут быть поставлены в соответствие определенные учебные элементы, часто называемые дидактическими единицами. Дидактическая единица (didactic unit) представляет собой некую логически самостоятельную часть учебного материала, которая по своему объему и структуре может считаться элементарным фрагментом модели содержания области обучения. Объем и содержание дидактических единиц не имеют нормативного определения в современных образовательных стандартах и достаточно вольно трактуются на практике. В рамках поставленной в диссертации проблемы целесообразно остановиться на уровне так называемых укрупнённых дидактических единиц. В энциклопедии образовательных технологий [225] этот конструкт определяется как «локальная система понятий, объединённых на основе их смысловых логических связей и усваиваемых обучаемыми как единое целое». В данной работе заимствована лишь основная идея метода, поэтому в дальнейшем изложении будем оперировать нейтральным термином «укрупненные элементы содержания предметной области обучения» или (для краткости) «элементы обучения автоматизированному проектированию» (ЭО АПР).
Для создания модели предметной области обучения АПР в работе предложено использовать метод морфологического анализа, который берет свое начало в работах Цви-ки (F. Zwicky) [384]. Метод получил развитие в области теории инженерного творчества [97, 195]. Морфологическое множество ЭО АПР можно представить в виде двумерной таблицы, часто называемой морфологическим полем, по одному из направлений которого откладываются когнитивные компоненты (знания), а по другому - навыковые. Морфологическая таблица является одним из возможных способов представления модели морфологического множества уровня идентификации и является элементом морфологического «ящика Цвики» [46]. Основным достоинством морфологического метода является возможность формализации процедур как морфологического анализа, позволяющего определить пространство поиска (множества альтернатив), так и морфологического синтеза СО АПР. Содержание предметной области обучения АПР при этом формируется в результате проецирования деятельностных компетенций проектного персонала САПР-М на пространство ЭО АПР. Графически такую модель можно отобразить в форме трехмерной структуры (рисунок 2.7), основанием которой выступает морфологическое поле ЭО АПР, а по направлению третьего измерения откладываются деятельност-ные компоненты КМ арг.
Для определения проекций также можно воспользоваться матрицами связности, отражающими соответствие ЭО АПР компонентам компетентностной модели. При этом для каждой деятельностной компетенции экспертами в предметной области САПР должна быть сформирована матрица вида: если /-тая компетенция связана су -тым элементом ЭО АПР; О, если данный компонент не участвует в формировании соответствующей компетенции.
Согласно принципам компетентностного подхода модель содержания обучения должна быть адекватна компетентностной модели специалиста. То есть должно выполняться соответствие между моделью содержания обучения ТМ арг (СО АПР) и компетентностной моделью - КМ арг:
Практика показывает, что в общем случае соответствие не является функциональным, поскольку одной компетенции {КМІ ар } в частных методиках может соответствовать некий набор элементов ТМ арг.
Полученное множество компонент ТМ арг, определяющих содержательное наполнение процесса обучения АПР, также можно разделить на несколько подмножеств в соответствии с требуемым уровнем подготовки:
Подмножество ТМ арг составляют ЭО АПР, обеспечивающие освоение АПР на процедурно-операциональном уровне. Прежде всего сюда войдут элементы обучения работе с программно-техническими средствами САПР. Технологический уровень обеспечат ЭО АПР, относящиеся к ТМарг , которые связывают САх-технологии со знаниями, умениями и навыками из предметной области объектов проектирования.
Для системного уровня, обеспечивающего эффективную деятельность персонала САПР в интегрированной информационной среде, необходимо овладеть средствами и технологиями CALS/ИПИ/РЬМ, сосредоточенными в ТМарг3.
Таким образом, построение модели содержания обучения АПР не только необходимо для разработки эффективных учебных курсов и частных методик, но и позволяет сделать определенные выводы о полноте и уровнях подготовки пользователей. Для данной работы принципиально важно, что наличие адекватной модели СО АПР позволяет обоснованно производить комплексирование и разработку методов, средств и технологий обучения автоматизированному проектированию. При этом средства и методы обучения автоматизированному проектированию должны соответствовать ТМ арг, обеспечивая тем самым реализацию компетентностной модели КМ арг.
Обучающие функции технологий и средств САПР
В настоящее время тематика ВП в обязательном порядке включается в учебные курсы подготовки по направлениям, связанным с бизнесом и управлением организациями [94]. В этой научно-практической области распространение получили компьютерные «деловые игры» (КДИ) для обучения менеджеров. В названии или содержательной части экономических КДИ часто присутствует термин ВП. Например, ВП «Никсдорф Дельта» (КДИ создана и развивается фондом им. Хайнца Никсдорфа с 1997 г., в настоящее время принадлежит корпорации Siemens). Эта деловая игра рекомендована Министерством образования и науки РФ к использованию в высших учебных заведениях при подготовке специалистов в области экономики и менеджмента [220].
Близкая к КДИ ВП по смыслу и назначению концепция обучения, именуемая «учебные бюро» (prof. Hans Kaminski, 1998), популярна в Германии и внедряется в ряде учебных заведений экономического профиля в России. Например, на основе данного подхода в Новосибирском государственном университете создано так называемое мо 254 дельное предприятие (URL: http://www.nsu.ru/ (17/02/13)). Экономисты НГУ определяют свою разработку как «виртуальную учебную среду для овладения профессиональным мастерством через соединение теоретических знаний и практической деятельности».
Аналогичное ВП, созданное при участии компании «Информационные бизнес-системы» (URL: www.ibs.ru/ (12.03.13)), используется для обучения экономистов в Сибирском федеральном университете. Система, которая получила название «Сетевой комплекс учебных лабораторий», развернута в институте экономики, управления и природопользования СФУ (Красноярск, 2008 г.). Разработчиками в числе последователей упоминается Российская экономическая академия им. Г.В. Плеханова, где реализуется проект «Сетевая учебная корпорация», и Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина (URL: http://news.sfu-kras.ru/node/172 (12.02.13)).
Интерес к использованию виртуальных предприятий в технических вузах, по мнению автора, следует связывать с появлением в начале нового века сети центров CALS-технологий. Одним из первых был основан в 2001 г. в Самаре региональный центр компетенций в области CALS/ИПИ/РЬМ. Самарский центр организован на базе СГАУ, имевшего богатый опыт в области разработки и внедрения машиностроительных САПР, в том числе учебно-исследовательского назначения [41, 42, 130]. К тому времени в стенах СГАУ появилась и была успешно реализована концепция целевой интенсивной подготовки специалистов (ЦИПС), основанная на широком использовании технологий и средств обеспечения САПР. Не случайно идея создания специализированного ВП, предназначенного для обучения инженеров-машиностроителей, зародилась в СГАУ в среде специалистов по САПР-М, причастных к разработке перспективных программ и планов развития CALS-центра [215]. Эти идеи были восприняты и активно поддержаны в других компьютерных центрах и лабораториях университета [205].
Известны аналогичные разработки, предназначенные для других предметных областей и целей. Например, в феврале 2008 г. в университете «Дубна» создан «Академический центр компетенции IBM по проектированию виртуальных предприятий». Целью его создания является совершенствование подготовки специалистов в области информационных технологий на базе открытых стандартов, программного обеспечения и современных технологий IBM
Наиболее близки к предложенным автором принципам использования УНВП [215, 299, 133 и др.] положения концепции создания ВП в CALS-центре при Томском политехническом университете. Их сближает ориентация при создании учебного ВП на понятийно-терминологический аппарат, методы и средства CALS/ИПИ/РЬМ. Однако существенно разнятся предметные и целевые установки. Инициаторами разработки ВП ТПУ выступили специалисты в области АСУ и информатики (профессионально занимающиеся обучением разработчиков автоматизированных систем управления), специализирующиеся в радиоэлектронной отрасли (URL: http://cals.aics.ru (12.02.13)). Основным назначением учебного ВП ТПУ «является генерация и расширенное воспроизводство знаний; организация и проведение междисциплинарных исследований фундаментального и прикладного характера; коммерциализация знаний, умений и навыков; трансфер результатов и технологий из научно-образовательной среды в различные отрасли отечественной промышленности» [274]. В опубликованной в 2006 г. концептуальной статье «обоснована необходимость создания виртуального предприятия ТПУ для повышения качества обучения студентов разноплановых специальностей групповому проектному выполнению комплексных работ» [79]. «В 2008 г. в ТПУ предложена концепция учебного ВП, базовыми компонентами выступают различные учебные подразделения университета». Планируется в том числе привлечение специалистов в области машиностроения, а «в качестве основного направления развития учебного виртуального предприятия определена концепция изготовления твердотельных изделий» [116] (2012).
Для различения УВП, предназначенного для обучения автоматизированному проектированию в интегрированной информационной среде, от ВП, предназначенных для иных целей и использующихся в других предметных областях, автором данной диссертации была введена аббревиатура УНВП. А УНВП-М будем обозначать учебные ВП, предназначенные для подготовки персонала машиностроительных САПР.
Для реализации УНВП-М целесообразно применение всех эффективных методов и средств виртуализации, способствующих достижению положительного учебного эффекта: - в УНВП уместно использование виртуальной реальности для повышения наглядности учебного процесса, поскольку известно, что технологии ВР активизируют внимание обучаемых, облегчают понимание и запоминание учебного материала [286]; - проектная деятельность пользователей в составе УНВП в некотором роде должна воспроизводить технологию виртуальной лаборатории, когда обучаемый, варьируя параметры моделей объектов и проектной среды, может изучать свойства системы [310]; - применение аппаратных средств виртуальной инженерии, в том числе объемных сканеров, ЗБ-принтеров и установок быстрого прототипирования, позволит оперативно материализовать компьютерные модели изделий [135].
Наиболее важным отличительным признаком УНВП-М, предназначенного для обучения АПР, представляется его реализация в рамках методологии CALS, с использованием современных САх-технологий и средств обеспечения машиностроительных САПР [133, 299]. С этой точки зрения УНВП можно рассматривать как объединение интеллектуальных, информационных, программно-технических и других ресурсов подразделений учебного заведения для достижения целей и задач обучения персонала САПР.
Уже в силу своего образовательного предназначения учебное виртуальное предприятие должно обладать существенными отличиями от своего промышленного аналога [310]. Целью персонала учебного ВП является практическое освоение и опытная отработка взаимосвязанного комплекса информационных технологий, программных и технических средств автоматизации, информационных моделей и стандартов [311]. ВП, работающее в вузе, может не производить материальных объектов и товарных изделий, а оперировать их информационными моделями и имитаторами. Решение малоразмерных и компактных учебно-исследовательских задач позволит реализовать интеграционные цепочки информационных технологий опережающими темпами по сравнению с промышленными предприятиями, а отсутствие материальных объектов даст возможность минимизировать затраты.
Существенным отличием учебного виртуального предприятия от промышленных аналогов является необходимость автоматизации обучающих функций. Таким образом, в УНВП становится обязательным широкое использование автоматизированных обучающих систем и компьютерных тренажеров. А в прикладных программах и автоматизированных системах, задействованных в УНВП, необходимо акцентировать и развивать их обучающие функции [291].
Обобщение опыта разработки и использования компьютерных тренажеров для обучения автоматизированному проектированию
В столбце 4gr приведена оценка решений, полученных в результате работы с тренажером потока студентов-старшекурсников (80 человек), которые прошли полный курс обучения на тренажере и использовали У И САПР для выполнения курсовых проектов. Задачи решались без ограничения по времени. Студенты сами моделировали на тренажере и анализировали теоретически оптимальные конструкции. Достигнутый ими средний результат можно рассматривать как точку отсчета для данного класса задач.
Интересно отметить следующие особенности. Во-первых, разница в массе конструкций, предлагаемых на основе интуиции, и теоретически оптимальных конструкций в начале работы с тренажером «неожиданно» велика (до 60 - 70%). Хотя бытует мнение, что методы оптимизации могут обеспечить повышение эффективности только на 5 -10% по сравнению с традиционным проектированием. Это наблюдение подтверждает вывод о необходимости развития у пользователей навыков оптимального проектирования. Во-вторых, 5-6 сеансов работы с тренажером при условии активной учебной деятельности, продолжающейся по несколько учебных часов (необходимо проработать весь сборник задач), может снизить эту разницу, в новых задачах конечно, до 10 - 15% (4gr). Это свидетельствует о высокой обучающей способности АПР-тренажеров.
Для оценки эффективности учебных проектных решений достаточно удобно вычислять отношение р = Wopt / Wst, (6.2) где Wst - критерий эффективности проектного решения (в нашем случае масса конструкции), предложенного студентом, a Wopt - показатель оптимального варианта. Тогда оценка очень плохого проекта близка к нулю, а оценка очень хорошего проекта стремится к единице (рисунок 6.4).
Заметим, что с точки зрения специалиста средний показатель 0.5 неудовлетворителен, так как такая конструкция вдвое тяжелее, чем оптимальная. Заметим также, что получить в ходе обучения переход с уровня совершенства проекта 0.8 на уровень 0.9 гораздо трудней, чем, например, с 0.7 па 0.8. Затраты интеллектуальных усилий для приближения к уровню 1.0 имеют, вероятно, гиперболический характер. Поэтому для оценки квалификации конструктора предложено использовать отношение показателя качества конструкции к величине его «недобора» до оптимума:
Результаты, полученные 4gr, уже достаточно близки к теоретически оптимальным решениям для данного типа учебных конструкторских задач. Надо учитывать, что конструктивные ограничения не позволяют достичь в реальных задачах абсолютного экстремума, причем каждый процент снижения массы вблизи от теоретически оптимального требует значительно большего искусства, чем начальные приближения.
В процессе многолетней эксплуатации тренажера в учебном процессе ряда учебных заведений Самарского региона, других вузов РФ, где разработка была внедрена [213], а также за рубежом были подтверждены выявленные закономерности [75, 126]. Тренажер оказался достаточно удобен для тестирования навыков проектирования (неявных знаний) рациональных машиностроительных конструкций у обучаемых с различным уровнем подготовки. Предложенные показатели могут быть использованы для оценки деятельностных компетенций проектировщиков при профессиональном отборе, входном и итоговом контроле студентов инженерных специальностей, оценки опыта и интуиции практикующих специалистов из числа проектного персонала САПР-М.
Обследования ведущих машиностроительных предприятий региона и опыт проведения курсов переподготовки практикующих специалистов показывают, что, как правило, формирование системных компетенций проектного персонала САПР-М происходит непосредственно на рабочих местах длительным и неблагодарным путем проб и ошибок в среде действующего (и далеко не всегда наилучшим образом) PLM-решения. Известно, что реализация фирмами-интеграторами «пилотных» (пробных) проектов в процессе работ по внедрению САПР позволяет снять целый ряд организационных и психологических проблем, но, к сожалению, не решает их окончательно. Создание учебного ВП дает возможность целенаправленно сформировать необходимые компетенции стационарно, перенеся поле деятельности в стены учебного заведения или кадрового центра.
Сам факт использования УНВП в учебном процессе обеспечивает качественно более высокий уровень подготовки и переподготовки проектировщиков. Это объясняется тем, что только при наличии соответствующей проектной среды можно задействовать обучаемых в качестве штатного персонала интегрированных САПР, позволяя им таким образом освоить требуемые профессиональные роли, приобрести знания и навыки владения соответствующими средствами и методами автоматизации проектирования.
В данном разделе более подробно обсудим подходы к исследованию эффективности метода УАПР тренирующего типа в среде УНВП, призванного обеспечить развитие деятельностных компетенций проектного персонала САПР-М в условиях ЕИП/ИИС.
Проведенные европейскими специалистами по САПР [352] исследования показали, что знания, получаемые пользователями в процессе комплексного проектирования, формируются главным образом с опорой на информацию, полученную от обратных связей этапов проектных работ (knowledge feedback to design). To есть информация, полученная проектировщиком на одной из ранних стадий проектных работ, полностью осознается и осмысляется им при использовании результатов на более поздних фазах ЖЦИ. Таким образом, без возвратных движений (циклов проектирования) невозможно полноценно освоить АПР в интегрированных САПР. В идеале, когда продукт разрабатывается с нуля (или в случае УАПР, когда обучаемый только приступил к подготовке), у проектировщика вообще нет опыта и знаний, необходимых для создания нового продукта. «Только тогда, когда этап проектирования выполнен или даже полностью разработано новое изделие, проектировщик может объективно оценить возможные недостатки проекта» [352]. Этим объясняются многие проблемы обучения автоматизированному проектированию с использованием локальных САх-технологий и систем.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что наиболее полно результативность формирования умений и навыков автоматизированного проектирования должна проявляться в комплексных проектах. Только последовательно пройдя основные процедуры, предусмотренные методологией машиностроительного проектирования: выполнив анализ и синтез, получив полное описание изделия, - проектировщик получает все необходимые ресурсы и возможности для выявления сложной взаимосвязи проектных переменных и критериев эффективности, изучения их свойств и путей оптимизации. Разработанная тренирующая методика УНВП создает необходимые условия для анализа и прохождения обратных связей в процессе УАПР. Причем для формирования проектной компетенции требуются как «знания о процессе проектирования, которые отвечают на вопрос «Как?», так и знания об объекте проектирования, которые отвечают на вопрос «Что?» [352]. И только в совокупности они позволяют повысить эффективность автоматизированного проектирования в целом.
