Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретико-методологическое обоснование концепции формирования профессионально-графических компетенций студентов на основе практико-ориентированного обучения электронному моделированию 31
1.1. Сущность и значимость практико-ориентированного формирования профессионально-графических компетенций будущих инженеров 31
1.2. Роль технологических знаний студентов в процессе электронного геометрического моделирования 51
1.3. Влияние практико-ориентированного обучения электронному геометрическому моделированию на адаптацию и самоорганизацию студентов 62
1.4. Концепция практико-ориентированного формирования профессионально-графических компетенций в техническом вузе 90
Выводы по главе 1 110
Глава 2 Теория и методология стратегии много уровневого практико-ориентированного формирования профессионально-графических компетенций в системе «школа-вуз» 115
2.1. Практико-ориентированная стратегия формирования профессионально-графических компетенций и структура педагогической системы 115
2.2. Теоретические основания, принципы и условия реализации технологической пропедевтики 129
2.3. Методологические основы практико-ориентированной интеграции графических дисциплин 153
Выводы по главе 2 181
Глава 3. Реализация стратегии непрерывного практико-ориентированного формирования профессионально-графических компетенций в системе «школа-вуз» и экспериментальное исследование её эффективности 188
3.1. Этапы разработки многоуровневой системы и практико-ориентированных технологий формирования профессионально-графических компетенций 188
3.2. Реализация технологической пропедевтики на основе применения программно-станочного комплекса 214
3.3. Построение системы практико-ориентированной геометро-графической подготовки с интеграцией дисциплин в техническом университете 242
3.4. Экспериментальное обоснование эффективности системы практико-ориентированного формирования профессионально-графических компетенций 265
Выводы по главе 3 286
Заключение 294
Библиография
- Роль технологических знаний студентов в процессе электронного геометрического моделирования
- Концепция практико-ориентированного формирования профессионально-графических компетенций в техническом вузе
- Теоретические основания, принципы и условия реализации технологической пропедевтики
- Построение системы практико-ориентированной геометро-графической подготовки с интеграцией дисциплин в техническом университете
Роль технологических знаний студентов в процессе электронного геометрического моделирования
В подготовке инженеров, бакалавров, специалистов и магистров для наукоемких отраслей промышленности геометро-графическая подготовка играет особую роль. Сложность новых технических проектов и необходимость качественного превосходства вновь проектируемых изделий становятся причиной того, что на предприятиях к выпускникам технических университетов предъявляются всё более высокие требования. Обязательным становится владение CAD/CAM/CAE программами, на базе которых реализуются CALS технологии. Тот факт, что в основе любой электронной модели изделия лежит его геометрическая модель, выдвигает задачу совершенствования геометро-графической подготовки инженеров в ряд исключительно важных и приоритетных.
Как отмечают многие исследователи, в частности, С. И. Архангельский [12], А. Б. Бейлин [19], Ю. А. Кустов [155] и др., социальная роль образования проявляется на фоне наиболее острых проблем общества, которые решаются средствами науки, техники и производства. Процесс проектирования любого нового изделия связан с решением творческих задач и использованием инструментальных средств CAD/CAM/CAE технологий, позволяющих наиболее эффективно реализовывать креативный потенциал специалиста. Однако его обучение становится сложным и дорогостоящим процессом, который подлежит постоянному усовершенствованию. Как мы видим, компьютерные технологии, переживающие период сверхбыстрого развития, входят в диалектическое противоречие с консервативными тео 32 ретическими разделами общеинженерных дисциплин, формировавшихся на протяжении десятков лет.
С позиций гносеологии систем техническое образование является отражением реальной производственной сферы и развивается по общим законам. В. А. Гусев указывает на наличие в образовательной сфере специфических признаков системы [76]. Для педагогической системы характерны такие признаки, как целостность, взаимосвязанность элементов, связь со средой [116]. Системный подход позволяет установить единые критерии для структурного анализа системы. Множество взаимосвязанных элементов системы образуют устойчивое единство, отличающееся стремлением к интеграции [76, 250, 269].
Одной из ключевых проблем, связанных с профессиональным уровнем специалиста - выпускника вуза, является необходимость поддержки и дополнения базовых инженерно-технических знаний, полученных на младших курсах, что отражает идеологию CALS. Важность геометро-графической подготовки специалиста обусловлена универсальностью языка, с помощью которого передается геометрическая информация о любом техническом объекте. На младших курсах предметом изучения графических дисциплин являются законы образования поверхностей и отображения объёмных фигур на плоскости, положения стандартов ЕСКД (Единая система конструкторской документации) и приёмы построения электронных моделей, которые излагаются на простых примерах, демонстрирующих элементы конструкции деталей, их соединений (сборочных единиц). При этом информация о технологических методах изготовления изделий дается кратко или отсутствует. Отсюда следует, что диапазон предметно-смысловых задач на младших курсах имеет объективные ограничения. Для совершенствования учебного процесса необходимо определить факторы, оказывающие наиболее существенное влияние на профессиональные качества будущего специалиста. В настоящее время наиболее часто встречается раздельное и последовательное изучение графических дисциплин. При этом в примерной программе, кроме начертательной геометрии и инженерной графики, предусмотрена только автоматизация чертежно-графических работ (например, на базе программы AutoCAD) [207]. Отдельно и, как правило, не системно изучаются разделы, связанные с геометрическим моделированием, в частности, методы и средства создания объёмных электронных моделей.
На выпускающих кафедрах студенты сталкиваются с определенными трудностями, когда решение конструкторских и технологических задач с помощью CAD/CAM/CAE программ предполагает наличие образных педставлений, которые в графических дисциплинах рассматривались в ином аспекте [146, 157]. Поэтому формирование навыков проектировщика в среде современных компьютерных систем происходит не самым эффективным способом.
С другой стороны, известны сложности, возникающие у опытных конструкторов в процессе освоения ими новых электронных технологий. В этом случае одной из основных причин следует считать значительные различия в подходах к формированию проектного решения между традиционными «бумажными» и «экранными» методами работы [13, 41, 87].
Таким образом, быстрое развитие компьютерных методов и средств проектирования порождает проблему эффективного обучения CAD/CAM технологиям с сохранением традиционных требований в отношении умения анализировать явления в той или иной предметной области. Новое проектное решение рождается только на основе существующего опыта, как модификация или комбинация уже накопленных вариантов [80]. Поэтому важной задачей процесса обучения становится создание необходимого запаса типовых (шаблонных) решений, а также умений анализировать их достоинства и недостатки, находить альтернативные решения и получать новое качество в результате модификации известных примеров. При этом будущий проектировщик за линиями чертежа должен видеть реальную форму, однозначно наделенную теми или иными, но вполне определёнными функциональными качествами и реально изготовленную [229]. В этом смысле важно, чтобы апперцептивные свойства личности играли положительную роль, а значит, были бы своевременно сформированы. Этот процесс весьма длительный, поэтому начинать его необходимо на самом раннем этапе обучения, когда студенты осваивают общеинженерные дисциплины. Современные CAD/САМ программы являются универсальным средством общения в сфере проектирования и производства, а также позволяют через электронную модель наиболее точно передать информацию о геометрии изделия. Владение такими программами относится к важнейшим профессионально-графическим компетенциям.
Направление, в котором происходит изменение требований к знаниям, умениям и навыкам проектировщиков, становится более понятным, если рассмотреть закономерности общей эволюции графических дисциплин.
До 60-х годов XX века периодизация истории чертёжно-конструкторского хозяйства связывалась, в основном, с социально-экономическими этапами развития техники. Геометро-графическая подготовка техника в среднем учебном заведении и инженера в высшем сводилась к изучению двух дисциплин: начертательной геометрии и черчения. Причем первая из них играла роль теоретической базы, изучение которой преследовало следующие цели: -получить теоретическое обоснование методов отображения пространственных фигур - оригиналов на плоскости (методы построения чертежа); - овладеть методами решения позиционных и метрических задач на комплексном чертеже (преобразование чертежа); - освоить методы определения формы, размеров и взаимного расположения пространственных фигур на основе анализа совокупности проекций (чтение чертежа); - развить пространственное воображение.
Деление всей истории начертательной геометрии на этапы содержало в качестве знаменательного события оформление её как науки - раздела общей геометрии, когда Г. Монж обобщил известные к тому времени результаты изысканий в области живописи, строительного и промышленного черчения [180]. Колоссальная ценность этих исследований заключалась в том, что ограниченный набор графических приёмов позволял решать самые разнообразные практические задачи, рождающиеся в результате быстрого развития техники и промышленности.
Концепция практико-ориентированного формирования профессионально-графических компетенций в техническом вузе
Работа студента на занятии в компьютерном классе распадается на этапы, которые различаются по уровню самостоятельности в принятии решений. Инструктивный характер работы связан с безусловной обязанностью студента следовать алгоритмам и правилам, которые предусмотрены методикой построения проектного решения и изложены в инструкциях. Кроме того, студент может получить консультацию (целевое указание) или подсказку преподавателя, ассоциативно подводящую к пониманию образа результата. Здесь студент предлагает собственную стратегию построения модели, хотя все окончательные решения принимает педагог.
В интересах решения учебно-методической задачи студент под контролем преподавателя может самостоятельно определять последовательность действий, которую нельзя найти в инструкции. Наиболее компетентные учащиеся предпочитают креативный стиль работы, отличающийся наибольшей самостоятельностью, стремлением методом проб определить собственный алгоритм построения модели. Многолетние наблюдения показали, что даже при наличии простых и подробных инструкций около 20% студентов применяют метод собственных проб и ошибок. Такая работа связана с догадками, самостоятельными открытиями, выработкой своих «фирменных» приёмов моделирования. Однако, по нашему мнению, самостоятельность действий на уровне пропедевтики и базовой геометро-графической подготовки должна находиться под контролем и управлением педагога. Эвристическая составляющая в создании электронной модели присутствует, но не является доминирующей, а определение «креативная» для учебной деятельности следует признать более точным.
Парадигма современного высшего образования выделяет роль учащегося в успехе учебного процесса. Это подтверждается наличием тенденции, заключающейся в сокращении количества часов занятий в аудитории с преподавателем и увеличении доли самостоятельной работы студента. Педагог университета должен учитывать, что профессионально-графические компетенции полноценно формируются только при условии достаточности мотивации, которая определяется, в том числе, и запасом знаний и навыков, полученных учащимся в общеобразовательной школе. Наиболее существенные различия у студентов наблюдаются в скорости осмысления исходных данных, в умении логически анализировать геометрическую форму и в способности мысленно представить весь процесс виртуального формообразования.
Важную роль в обрабтке зрительной информации играет распределение внимания, которое во многом заивист от мотивации и когнитивных способностей субъекта. Специалисты в области психологии выделяют две группы факторов, влияющих на избирательность внимания. Как отмечает Р. М. Грановская, «к первой относят факторы, характеризующие структуру внешних раздражителей, доходящих до человека, т.е. структуру внешнего поля. К ним причисляют физические параметры сигнала, например, интенсивность, его частоту и другие характеристики организации сигналов во внешнем поле. Ко второй группе относят факторы, характеризующие деятельность самого человека, т. е. структуру внутреннего поля» [68, с. 53].
На занятии по графическим дисциплинам присутствуют аналоги подобных полей. В качестве внешнего поля следует рассматривать, например, потоки 05, Фб («студент - преподаватель», «студент - методическое обеспечение»). На внутреннем поле наибольшее значение имеют Фіг , Фіз («студент - CAD/CAM программа», «студент - электронная модель»).
Информация об электронной модели примается учащимся визуально, в процессе наблюдения на экране отображения плоской или объёмной геометрической модели. Принимаемые данные интерпретируются студентом в соответствии с имеющимися знаниями, навыками обработки информации и ассоциативно-образной апперцепцией. Таким образом, для геометрографической подготовки на основе CAD/САМ технологий характерны высокая степень самостоятельности учащегося, использование рефлексии и ассоциативной памяти для переработки геометро-графической информации о типовых конструктивных и технологических примерах.
Рассмотрим работу студента над учебной конструкторской документацией на изделие. Каждый этап работы занимает определённое время и состоит из проектной (расчётной) части и документирования результата. Учитывая специфику предметной области, ограничимся исследованием подэтапа, где учащийся должен построить электронную 2D или 3D модель, являющуюся проектным решением. В соответствии с классификацией Е. А. Климова [128], установим, что процесс построения геометрической модели - это предмет учебного труда, развитие профессиональных компетенций - цель, CAD/САМ программы - средства, а дидактические свойства CAD/САМ программы и информационной среды - это факторы, определяющие условия труда.
Покажем, что учебная CAD/САМ программа играет роль системообразующего элемента вследствие наличия дидактических свойств. По А. А. Радугину, «Дидактические принципы определяют содержание, формы и методы учебной работы в соответствии с целями воспитания и закономерностями обучения» [212, с. 217]. Эргономика в применении к CAD/САМ программе «изучает человека и его деятельность в условиях современного производства с целью оптимизации орудий, условий и процесса труда» [237, с. 1549].
Теоретические основания, принципы и условия реализации технологической пропедевтики
Разработка методологических основ практико-ориентированной интеграции графических дисциплин привела к следующим результатам.
Геометро-графическая подготовка бакалавров и специалистов-механиков имеет значительную протяжённость во времени. Не считая обучения в школе, только в вузе она охватывает все курсы, от 1 до 5. Несмотря на методическую целостность, определяемую единством нормативной базы (стандарты ЕСКД) и программно-технических средств (CAD/CAM программы), учебные задачи трёх уровней: в довузовский период, в базовых графических дисциплинах вуза и на выпускающих кафедрах, - имеют принципиальные отличия. Поэтому профессионально-графические компетенции должны формироваться постепенно, а педагогическая система геометро-графической подготовки должна иметь общую практико-ориентированную стратегию.
Для работы с CAD/САМ программами характерна технологичность процесса электронного моделирования. Эволюция графических дисциплин в направлении общности целей, средств и методов формирования профессионально-графических компетенций приводит к необходимости выделения общего теоретико-методологического подхода к построению системы взаимосвязанных дисциплин. Для геометро-графической подготовки таким подходом является практико-ориентированная технология обучения. В техническом вузе производственная технологизация графических дисциплин обеспечивается при выполнении условий: —свойства геометрических форм изучаются с позиций их изготовления; 179 —графические задания образуют систему проектов; —выполнена интеграция кафедры инженерной графики с технологическими, в первую очередь, с кафедрой механической обработки материалов; —в учебном процессе с 1 по 5 курсы применяется универсальная CAD/САМ программа.
Для непрерывного формирования профессионально-графических компетенций студентов в течение всего периода обучения в вузе кафедры: инженерной графики, общеинженерные, выпускающие конструкторские и технологические, - должны использовать общие предметные области и решать родственные задачи. Речь идёт, в первую очередь, о том, что студенты старших курсов в курсовых и дипломных проектах для построения проектного решения в виде электронной модели применяют все компетенции: и приобретённые в период базовой подготовки, и сформировавшиеся на выпускающих кафедрах. Геометрическая форма объектов проектирования отражает все компетенции конструкторского и технологического плана. Поэтому из интеграции предметных областей объективно вытекает необходимость интеграции дисциплин на основе общего языка - электронного геометрического моделирования. В свою очередь, использование универсальных CAD/САМ программ в качестве среды моделирования определяет актуальность построения единого методического информационного пространства.
Практико-ориентированные технологии обучения графическим дисциплинам на основе интеграции с конструкторско-технологическими дисциплинами должны опираться на специфические технологии моделирования в среде CAD/САМ программы: -использование метода аппликации при построении сборочного чертежа, подготовка подложек и окон в непрозрачных контурах; - создание комплексов и работа с группами моделей; 180 -параметризация геометрических моделей, работа с библиотеками геометрических моделей; - использование сечений и пересечений 3D моделей; -построение оригинальных 3D моделей-инструментов для оптими зации построения 3D модели детали. Одной из важнейших профессионально-графических компетенций является способность самостоятельно генерировать стратегию (алгоритм) построения проектного решения в условиях информационной неопределённости. Накопленные знания образуют в памяти учащегося систему ассоциативных образов, отражающих одновременно функциональную, конструктивную и технологическую сущность геометрической формы. Интеграция дисциплин способствует интенсивному накоплению знаний о типовых конструктивных и технологических примерах и технологических приёмах их использования.
4. Комплексный анализ средств и методов электронного геометрического моделирования в CAD/САМ программе, а также известных геометро-графических компетенций, содержащихся в Государственном образовательном стандарте [262], показал, что в инновационной системе практико-ориентированной подготовки для характеристики уровня компетенций целесообразно применять следующие оценки: - оценка навыков анализа геометрической формы, это оценка за декомпозицию действительной геометрической формы с выделением элементарных геометрических фигур; - оценка навыков синтеза, это оценка за точность позиционирования элементарных геометрических фигур, моделей-заготовок и моделей-инструментов при построении электронной модели; - оценка способности к рациональному выбору варианта построения модели из нескольких возможных, это оценка за владение CAD/САМ программой;
Построение системы практико-ориентированной геометро-графической подготовки с интеграцией дисциплин в техническом университете
Для проверки эффективности действующей системы формирования профессионально-графических компетенций было проведено экспериментальное исследование. Его цель состояла в том, чтобы опытным путём проверить гипотезу о повышении качества формирования профессионально-графических компетенций, приобретённых в ходе технологически и практико-ориентированного учебного процесса. В многоуровневой системе с полным циклом функционирования, охватывающим значительный период времени (несколько уровней), включая и пропедевтику, происходит большой объём изменений, связанных с эволюцией личности.
В экспериментальном исследовании проверялось влияние технологи-зации графических дисциплин на развитие профессионально-графических компетенций учащихся и студентов на трёх уровнях.
На уровне начальной пропедевтической подготовки контролировалось изменение текущих компетенций. В эксперименте приняли участие 60 учащихся Самарского международного аэрокосмического лицея (СМАЛ).
На уровне базовой геометро-графической подготовки исследовалось опосредованное влияние технологизации на текущий уровень компетенции. Участниками эксперимента стали 100 студентов 1 курса факультета «Двигатели летательных аппаратов» СГАУ.
На уровне специальной геометро-графической подготовки в CAD/САМ программе на общеинженерных кафедрах СГАУ оценивалось формирование новых компетенций на базе имеющихся («остаточные знания»), например, в курсовых работах по общеинженерным дисциплинам конструкторского и технологического направления. В эксперименте участвовали 160 студентов факультетов: летательных аппаратов, двигателей л е 268 тательных аппаратов, инженерно-технологического и инженеров воздушного транспорта.
Всего в экспериментальном исследовании приняли участие 320 человек. Несмотря на «точечный» характер эксперимента на уровне специальной геометро-графической подготовки, однородность полученных результатов позволяет считать общую выборку достаточной.
Исследование включало констатирующий и сравнительный эксперименты на каждом уровне обучения. Для проведения исследования были разработаны: методика и план эксперимента, аттестационные задания и критерии. Для характеристики текущего уровня профессионально-графических компетенций учащихся и студентов автором использовалась экспертная оценка проектного документа: электронной 3D модели или компьютерного чертежа детали.
Структура профессионально-графических компетенций учащегося является неконсервативной в силу того, что в период геометро-графической подготовки эти компетенции рассматриваются одновременно как цель и средство изучения дисциплин. Поэтому гипотеза о независимом («парциальном») влиянии какого-то одного параметра, влияние которого на общий результат оценивается некоторым коэффициентом, не использовалась.
На уровнях пропедевтики, базовой и общеинженерной геометро-графической подготовки в качестве экспертных обобщающих параметров для оценки профессионально-графических компетенций выбраны следующие.
1. Совершенство декомпозиции отражает когнитивную сторону (компонент) общей профессионально-графической компетенции. Эта компетенция предполагает наличие навыков выделения элементарных геометрических фигур и проявляется в точности анализа действительной геометрической формы. Далее в тексте параметр обозначается Ха.
2. Совершенство синтеза отражает деятельностный компонент общей профессионально-графической компетенции. Здесь рассматривается точ ность позиционирования элементарных геометрических фигур, моделей заготовок и моделей-инструментов при построении электронной модели. Параметр обозначается Xs.
3. Совершенство владения инструментальной средой - CAD/CAM программой отражает ценностный компонент общей профессионально-графической компетенции (так как во многом зависит от первых двух параметров). Компетенция проявляется в навыках, необходимых для рационального выбора варианта построения модели из нескольких возможных. Обозначение параметра - Xt.
4. Время, затраченное на построение электронной 3D модели или компьютерного чертежа (в тексте обозначено і). Данный параметр позволяет привести рассмотренные ранее параметры к общей шкале - нормированию по времени.
Для одного уровня подготовки использовались от одного до трёх параметров. Каждый параметр оценивался по шкале «10+1»: количественное выражение параметра - до 10 баллов, за креативный, самостоятельный характер работы - до 1 балла. Полученные оценки образовали выборки. При обработке полученных результатов применялись типовые методики [176, 257, 286, 289]. Анализ сочетания параметров позволил более объективно фиксировать общий уровень компетенций, а десятибалльная шкала дала возможность более точно, по сравнению с привычной пятибалльной, оценить каждый параметр.
Рассмотрим результаты экспериментального исследования на уровне довузовской пропедевтической подготовки. В констатирующем и сравнительном экспериментах приняли участие учащиеся 11 классов СМАЛ в количестве 30 чел. в контрольной и 30 чел. в экспериментальной группе. Следует ещё раз отметить, что в настоящее время в подавляющем боль 270
шинстве общеобразовательных школ и лицеев такие предметы, как черчение и труд (технология) полностью отсутствуют. Поэтому обе группы учащихся лицея, принявшие участие в эксперименте, начинали подготовку практически с нуля. Фактически в эксперименте сравнивались две методики, использующие CAD/САМ технологии: геометрическое моделирование с частичной технологизацией и геометрическое моделирование с изучением автоматизированной обработки на станке с ЧПУ.
Констатирующему эксперименту предшествовал начальный этап изучения объёмного моделирования в среде CAD/CAM ADEM, когда обе группы занимались по общей программе. В ходе экспериментального исследования учащиеся лицея решали задачи на построение 3D электронной модели детали. Заданием служила аксонометрическая проекция детали на бумаге или реальная деталь в металле.
В констатирующем эксперименте уровень профессионально-графических компетенций лицеистов оценивался одним параметром Xd -«точностью декомпозиции» - по шкале «10+1». Целые баллы в количестве от 0 до 10 назначались за правильность определения геометрических фигур (порядка 10 шт.), образующих форму предмета. Дополнительно десятые доли балла присваивались за креативный характер работы. Гистограммы частотного распределения оценок показаны на рисунке 19, а, б.
Анализ формы огибающих кривых с достаточной степенью достоверности позволяет считать, что величины Xi (контрольная группа) и Хг (экспериментальная) распределяются по нормальному закону. Для дисперсии о2, вычисляемой по известной формуле [35]