Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние проблемы обучения основам технологии машиностроения будущих инженеров в условиях информатизации образования 19
1.1 Анализ процесса информатизации инженерно-технологического образования 19
1.2 Основные требования к информационно-технологической подготовке студентов инженерных вузов 31
1.3 Принципы построения структуры учебно-информационной среды для обучения будущих инженеров 36
Выводы по главе 1 53
Глава 2 Разработка методической системы обучения курсу «Основы технологии машиностроения» студентов конструкторско-технологических специальностей инженерных вузов в учебно-информационной среде 55
2.1 Методологические подходы и принципы к проектированию методической системы обучения будущих инженеров конструкторско-технологических специальностей в учебно-информационной среде 55
2.2 « Основы технологии машиностроения» как учебный предмет в системе подготовки будущих инженеров конструкторско-технологических специальностей в учебно-информационной среде 77
2.3 Формирование содержательных линий дисциплины «Основы технологии машиностроения» при обучении студентов конструкторско-технологических специальностей вузов в учебно-информационной среде 86
2.4 Проектирование методической системы обучения курсу «Основы технологии машиностроения» студентов конструкторско-технологических специальностей вузов в учебно-информационной среде 102
Выводы по главе 2 112
Глава 3 Методика обучения студентов конструкторско-технологических специальностей инженерных вузов курсу «Основы технологии машиностроения» в учебно-информационной среде 115
3.1 Информационно-методическое обеспечение курса «Основы технологии машиностроения» на уровнях учебно-информационной среды при решении практических задач 115
3.2 Содержание и методы проведения лекционных занятий 128
3.3 Содержание и методы проведения лабораторного практикума, профессионально-направленного на конструкторско-технологическую специальность 146
3.4 Система заданий к курсовым проектно-технологическим работам 153
Выводы по главе 3 159
CLASS Глава 4 Педагогический эксперимент CLASS 161
4.1 Организация и методика проведения педагогического эксперимента 161
4.2 Констатирующий и поисковый этапы эксперимента 166
4.3 Обучающий педагогический эксперимент 180
Выводы по главе 4 194
Заключение 196
Список использованной литературы 199
- Принципы построения структуры учебно-информационной среды для обучения будущих инженеров
- Основы технологии машиностроения» как учебный предмет в системе подготовки будущих инженеров конструкторско-технологических специальностей в учебно-информационной среде
- Информационно-методическое обеспечение курса «Основы технологии машиностроения» на уровнях учебно-информационной среды при решении практических задач
- Констатирующий и поисковый этапы эксперимента
Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время перед инженерным образованием стоит задача повышения уровня подготовки специалистов, умеющих применять информационные технологии для эффективного решения проектно-технологических и конструкторских задач. Поэтому важнейшими направлениями совершенствования подготовки инженеров конструкторско-технологического профиля являются информатизация, обеспечение фундаментальности и профессиональной направленности обучения в вузе.
Государственными образовательными стандартами конструкторско-технологического направления, в которые входят специальности: 151001 «Технология машиностроения», 151002 «Металлорежущие станки и инструменты», 151003 «Инструментальные системы интегрированных машиностроительных производств» и др., предусмотрен цикл дисциплин информационного направления. В данное направление входят компьютерно-ориентированные дисциплины или их разделы, допускающие формализацию и автоматизацию сбора, передачи, хранения, обработки и отображения учебной информации.
Информационное направление конструкторско-технологических специальностей характеризуется многочисленными темами и разделами дисциплин различных циклов, включающих алгоритмизацию расчетов, моделирование и проектирование технологических процессов, реализуемых компьютерными средствами. Базовым конструкторско-технологическим предметом для данных специальностей является общетехническая дисциплина «Основы технологии машиностроения» (ОТМ), в содержании которой присутствуют «сквозные», информационно-профессиональные содержательные линии:
– алгоритмизация расчетов технологии производства изделий;
– моделирование и исследование параметров технологических процессов с целью оптимизации;
– автоматизированное проектирование технологических процессов изготовления изделий и подготовка документации на производство серийного образца.
Совокупность перечисленных информационно-профессиональных содержательных линий позволяет сформировать в учебно-информационной среде (УИС) информационный (компьютерно-ориентированный) каркас курса, его архитектонику. Под УИС мы предлагаем понимать компьютерно-ориентированную образовательную структуру, состоящую из расчетно-алгоритмического, модельно-исследовательского и проектно-технологического уровней обучения, направленную на формирование у будущих инженеров, через информационно-тематические составляющие циклов дисциплин, информационно-технологической компетентности. Информационно-технологическая компетентность – совокупность расчетно-алгоритмической, модельно-исследовательской и проектно-технологической компетенций будущего инженера, приобретаемых в процессе обучения в УИС.
Проблемы преподавания и формирования содержания конструкторско-технологических дисциплин с использованием компьютерных технологий исследованы В.Ф. Беловым, И.П. Норенковым, В.Я. Советовым, Г.И. Шабановым, П.К. Кузьминым, В.Б. Миничевым, Ю.М. Соломенцевым, Л.Ф. Тюриным, В.Г. Федорюком, В.М. Черненьким и др. Вместе с тем трудов, посвященных разработке методической системы обучения студентов вузов конструкторско-технологического направления дисциплине ОТМ в УИС, обеспечивающей формирование информационно-технологической компетентности и тем самым повышение уровня подготовки выпускников, до сих пор нет.
Проведенный констатирующий эксперимент был нацелен на анализ состояния проблемы и опыта обучения студентов конструкторско-технологических специальностей вузов курсу ОТМ. При этом проводились беседы и анкетирование студентов и преподавателей различных циклов дисциплин. Выяснилось, что:
– базовые алгоритмические, модельные и проектно-технологические знания и умения, полученные при изучении дисциплин информационного направления, не имеют эффективного применения в последующих дисциплинах, в том числе в курсе ОТМ, что не позволяет выпускнику сформировать на высоком уровне информационно-технологическую компетентность, необходимую будущему инженеру для работы на современном высокотехнологичном предприятии;
– отсутствие учебно-информационной среды не позволяет студентам в процессе обучения курсу ОТМ во взаимосвязи использовать результаты алгоритмических расчетов, исследовательских моделей, технологических проектов в курсовых и дипломных работах;
– большинство студентов не видят взаимосвязи учебного материала курса ОТМ с фундаментальными и специальными дисциплинами учебного плана специальности;
– практически не разработаны учебно-методические комплексы по ОТМ в УИС с профессионально-направленным содержанием, обеспечивающие реализацию межпредметных связей через информационные составляющие.
Таким образом, существует противоречие между задачей повышения уровня подготовки будущих инженеров и отсутствием методической системы обучения курсу ОТМ в УИС, которая характеризовалась бы информатизацией, фундаментальностью и профессиональной направленностью, позволяющей сформировать информационно-технологическую компетентность и, тем самым, повысить уровень подготовки студентов конструкторско-технологических специальностей вузов. Наличием данного противоречия обусловлена актуальность исследования по предложенной теме.
Проблема исследования заключается в поиске ответа на вопрос, какой должна быть методическая система обучения студентов конструкторско-технологических специальностей вузов курсу ОТМ в УИС, способствующая повышению уровня подготовки будущих инженеров.
Объект исследования – процесс обучения студентов конструкторско-технологических специальностей инженерных вузов.
Предмет исследования – методическая система обучения студентов конструкторско-технологических специальностей инженерных вузов основам технологии машиностроения в учебно-информационной среде.
Цель исследования состоит в обосновании и разработке методической системы обучения студентов инженерных вузов основам технологии машиностроения в учебно-информационной среде, способствующей повышению уровня сформированности информационно-технологической компетентности будущих специалистов.
Для обеспечения достоверности результатов исследований были выбраны различные инженерные специальности: 151001 «Технология машиностроения», 152002 «Металлорежущие станки и инструменты», 110301«Механизация сельского хозяйства», 110304 «Технология технического обслуживания и ремонта машин».
Гипотеза исследования состоит в следующем: если методическая система обучения основам технологии машиностроения будет построена в учебно-информационной среде, обеспечивающей взаимосвязь фундаментальных, профессионально-направленных и информационных знаний и умений, то это позволит повысить уровень сформированности информационно-технологической компетентности будущих инженеров.
В соответствии с целью и гипотезой поставлены следующие задачи.
1. Изучить состояние проблемы, уровень подготовки будущих инженеров и опыт обучения ОТМ студентов конструкторско-технологических специальностей вузов в УИС.
2. Разработать структуру УИС для обучения будущих инженеров курсу ОТМ.
3. Определить методологические подходы и принципы, совокупность которых составляет теоретические основы проектирования модели методической системы обучения курсу ОТМ студентов конструкторско-технологических специальностей вузов на основе УИС.
4. Разработать и обосновать модель методической системы обучения (схему процесса обучения) курсу ОТМ студентов конструкторско-технологических специальностей вузов на основе УИС, способствующую повышению уровня сформированности информационно-технологической компетентности будущих инженеров.
5. Создать учебно-методический комплекс (УМК), компоненты которого реализуются в учебном процессе на уровнях УИС.
6. Осуществить проверку гипотезы исследования.
Для решения поставленных в работе задач был использован комплекс методов исследования и видов деятельности.
Теоретические: анализ научной литературы по проблемам информатизации технического образования, информационно-технологической компетентности студентов и информационной подготовки будущих инженеров, анализ образовательных стандартов высших учебных заведений и других методических документов, проведение сравнений и аналогий, обобщение, синтез, интеграция, системный подход, системный анализ, моделирование педагогических ситуаций, анализ инновационного педагогического опыта.
Экспериментальные: исследования констатирующего и поискового характера с использованием анкетирования, интервьюирования, наблюдения педагогических явлений, экспертной оценки, проведение тестирования и контрольных работ для студентов, мониторинг, изучение и обобщение педагогического опыта, методы статистической обработки данных с использованием специализированных программных средств, графическая и табличная интерпретация результатов эксперимента, а также опытная проверка и внедрение предлагаемых решений.
Методологическую основу и теоретическую базу исследования составляют работы:
– по основным направлениям развития современного информационного образования: И.Б. Готской, А.А. Кузнецова, В.В. Лаптева, В.С. Леднева, А.В. Могилева, Е.С. Полат, Е.А. Ракитиной, И.В. Роберт и др.;
– по использованию современных информационных технологий в высшем техническом образовании: В.Ф. Белова, Д.М. Жука, П.К. Кузьмина, И.П. Норенкова, Б.Я. Советова, В.А. Трудоношина, Г.И. Шабанова и др.;
– по дидактическому обеспечению лабораторных работ и курсовых проектов по основам технологии машиностроения: М.В. Элементова, Н.Ю. Овчинниковой, А.В. Тавропольского, Н.Е. Курносова и др.;
– по проблемам фундаментальности и профессиональной направленности в вузе: М.Г. Гарунова, С.Ф. Родионова, Л.В. Масленниковой и др.;
– в области психологии, педагогики и методики высшей школы: С.И. Архангельского, В.В. Давыдова, А.Н. Леонтьева, И.Я. Лернера, и др.;
– по теоретическим исследованиям в области методики преподавания физики: В.А. Извозчикова, В.В. Лаптева, Н.С. Пурышевой и др.;
– по теоретическим и технологическим основам профессиональной подготовки специалистов А.Л. Денисова, Г.Н. Серикова, С.А. Тихомирова и др.;
– по теории методологических подходов в педагогике и технике: В.В. Гузеева, М.С. Кагана, А.Н. Леонтьева, И.Я. Лернера, Э.Г. Юдина и др.
– по методике проектирования обучающей информационной среды: Р.Н. Абалуева, Б.С. Ахметова, Т.В. Богданова, Л.Н. Кечиева, А.С. Курылева, В.Н. Пушкина, И.А. Румянцева и др.
– по проблеме реализации компетентностного подхода в образовании: В.А. Болотова, И.А. Зимней, А.Н. Тубельского, А.В. Хуторского и др.
Научная новизна результатов исследования состоит в следующем.
1. Уточнено понятие учебно-информационной среды как компьютерно-ориентированной образовательной структуры, направленной на формирование у будущих инженеров, через информационно-тематические составляющие циклов дисциплин, информационно-технологической компетентности.
2. Дано определение информационно-технологической компетентности как совокупности расчетно-алгоритмической, модельно-исследовательской и проектно-технологической компетенций будущих инженеров, приобретаемых в процессе обучения на образовательных уровнях УИС.
3. Предложена иерархическая структура УИС для обучения курсу ОТМ, включающая расчетно-алгоритмический, модельно-исследовательский и проектно-технологический образовательные уровни, на которых формируется информационно-технологическая компетентность.
4. Разработана модель методической системы обучения курсу ОТМ в УИС, которая состоит из пяти компонентов.
Целевой компонент в качестве цели предполагает повышение уровня подготовки студентов конструкторско-технологических специальностей инженерных вузов, которая может быть достигнута на основе решения задач формирования у студентов информационно-технологической компетентности, как совокупности расчетно-алгоритмической, модельно-исследовательской и проектно-технологической компетенций.
Функциональный компонент объединяет системный, деятельностный и компетентностный подходы, а также принципы фундаментальности, профессиональной направленности и непрерывности информационно-технологической подготовки.
В содержательный компонент входят инвариантный (фундаментальные законы и научно-технические теории) и варьируемый (профессионально-направленные информационно-технологические знания и умения, реализуемые в машиностроительных технологиях) блоки.
Организационный компонент представляет собой формы (фронтальная, групповая, индивидуальная), методы (информационно-иллюстративный, репродуктивный, проблемное изложение, частично-поисковый, исследовательский) и средства (компьютер с адаптивным программным обеспечением, УМК для компьютерной реализации алгоритмов, моделей и проектов технологии машиностроения) обучения.
Оценочный компонент необходим для оценки уровня сформированности информационно-технологической компетентности.
5. Разработана методическая система обучения курсу ОТМ в УИС, способствующая повышению уровня сформированности у студентов инженерных вузов информационно-технологической компетентности. К основным положениям проектирования содержания курса ОТМ при обучении в УИС относятся следующие.
Содержание общетехнической дисциплины ОТМ формируется и реализуется на расчетно-алгоритмическом, модельно-исследовательском и проектно-технологическом уровнях УИС.
В содержании дисциплины ОТМ выделяются доминирующие информационно-технологические содержательные линии: «расчетный алгоритм», «исследовательская модель», «технологический проект», реализованные на иерархических уровнях УИС.
В содержании учебного предмета ОТМ естественнонаучные законы и научно-технические теории представляют инвариантную часть, а положения, связанные с профессиональной подготовкой студентов, –вариативную.
В содержании предмета ОТМ учитываются взаимосвязи дисциплин всех циклов и интеграция фундаментальных, профессионально-направленных и информационно-технологических знаний и умений.
Отбор содержания обучения ОТМ необходимо осуществлять с учетом локального и корпоративного принципов вхождения тематических модулей в содержательные линии, а именно: когда тематическая задача реализуется только в одной содержательной линии или последовательно в нескольких.
В содержание предмета ОТМ должны быть включены новые технологические принципы, методы и процессы, связанные с использованием высокотехнологичного оборудования (станки с числовым программным управлением для лазерной, плазменной, гидроабразивной резки и др.).
6. Учебно-методический комплекс курса ОТМ для обучения студентов инженерных вузов в УИС включает четыре блока. В учебно-методический блок входят рабочая программа, конспект лекций, лабораторный практикум и задания для курсового проекта. Программный состоит из программных педагогических средств, программ для реализации инженерных методик, программно-моделирующих систем и автоматизированных систем проектирования. В интегрированном блоке представлены электронные конструкторы, учебные роботы, управляемые компьютером, а также учебные демонстрационные макеты технических объектов, сопрягаемые с компьютером. В учебно-иллюстративном блоке приведен набор компьютерных слайдов, плакатов, графиков, схем и чертежей. Все компоненты УМК отражают взаимосвязь курса ОТМ с другими дисциплинами и строятся в соответствии с методической системой обучения в УИС.
Теоретическая значимость результатов исследования состоит в том, что они вносят вклад в развитие теоретических основ информатизации инженерного образования, в частности учебного предмета ОТМ, за счет:
– введения понятий «информационно-технологическая компетентность» и «учебно-информационная среда» применительно к обучению студентов конструкторско-технологических специальностей инженерных вузов курсу ОТМ;
– разработанной иерархической структуры учебно-информационной среды для обучения студентов инженерных вузов на расчетно-алгоритмическом, модельно-исследовательском и проектно-технологическом образовательных уровнях, позволяющих сформировать высокий уровень информационно-технологической компетентности;
– разработанной модели методической системы обучения курсу ОТМ в УИС студентов вузов конструкторско-технологических специальностей.
Практическая значимость исследования заключается в создании методической системы обучения ОТМ в УИС, разработке и внедрении учебно-методического комплекса с информационно-технологическим содержанием для студентов следующих специальностей: 151001 «Технология машиностроения», 151002 «Металлорежущие станки и инструменты», 151003 «Инструментальные системы интегрированных машиностроительных производств», 110301 «Механизация сельского хозяйства», 110304 «Технология технического обслуживания и ремонта машин» инженерных вузов, в который входят четыре блока: учебно-методический, программный, интегрированный, учебно-иллюстративный. Это является основным практическим вкладом в совершенствование процесса обучения студентов инженерных вузов курсу ОТМ в УИС.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Компьютерно-ориентированная образовательная структура УИС, как основа методической системы обучения студентов конструкторско-технологических специальностей курсу ОТМ, должна реализовываться на расчетно-алгоритмическом, модельно-исследовательском и проектно-технологическом уровнях и обеспечивать формирование у студентов через информационно-тематические составляющие циклов дисциплин информационно-технологической компетентности, как совокупности расчетно-алгоритмической, модельно-исследовательской и проектно-технологической компетенций будущего инженера, приобретаемых в процессе обучения на уровнях УИС.
2. Методическую систему обучения студентов конструкторско-технологических специальностей инженерных вузов в УИС, направленную на формирование у студентов информационно-технологической компетентности, целесообразно строить на интегрированной основе системного, деятельностного и компетентностного подходов и принципов фундаментальности, профессиональной направленности и непрерывности информационно-технологического обучения. Основу методической системы обучения должны составлять межпредметные связи естественнонаучных, общетехнических и специальных дисциплин.
3. К основным положениям проектирования содержания курса ОТМ в УИС можно отнести следующие:
– содержание общетехнической дисциплины ОТМ должно формироваться и реализовываться на расчетно-алгоритмическом, модельно-исследовательском и проектно-технологическом уровнях УИС;
– в содержании дисциплины ОТМ должны быть выделены доминирующие информационно-технологические содержательные линии: «расчетный алгоритм», «исследовательская модель», «технологический проект», которые реализуются на иерархических уровнях УИС;
– в содержании учебного предмета ОТМ естественнонаучные законы и научно-технические теории должны представлять инвариантную часть, а положения, связанные с профессионально-направленной и информационно-технологической подготовкой студентов, – вариативную часть;
–в содержании предмета ОТМ необходим учет взаимосвязи дисциплин всех циклов и интеграции фундаментальных, профессионально-направленных и информационно-технологических знаний и умений;
– в содержание предмета ОТМ должны включаться новые технологические принципы, методы и процессы, связанные с применением высокотехнологичного оборудования (станки с числовым программным управлением для лазерной, плазменной, гидроабразивной резки и др.).
4. Учебно-методический комплекс для обучения курсу ОТМ в УИС должен включать: учебно-методический (рабочая программа, конспект лекций, лабораторный практикум, задания для курсового проекта), программный (программные педагогические средства, программы для реализации инженерных методик, программно-моделирующие системы, автоматизированные системы проектирования), интегрированный (электронные конструкторы технологических процессов, учебные роботы, управляемые компьютером, учебные демонстрационные макеты технологических объектов, сопрягаемые с компьютером) и учебно-иллюстративный (компьютерные слайды, плакаты, графики, схемы, чертежи) блоки.
Апробация результатов исследования на разных этапах работы осуществлялась на заседаниях научно-методического семинара кафедры технологии машиностроения Рузаевского института машиностроения Мордовского государственного университета имени Н.П. Огарева (Рузаевка, 2006-2010). Основные теоретические положения и практические результаты докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, региональных научно-методических и научно-практических конференциях: Москва, МПГУ, IX Международная научно-методическая конференция («Физическое образование: проблемы и перспективы развития», 2010); Санкт-Петербург, СПбГПУ, XVII Международная научно-методическая конференция («Современное образование: научные подходы, опыт, проблемы, перспективы», 2010); Чебоксары, НИИ педагогики и психологии, II Международная заочная научно-практическая конференция («Актуальные вопросы современной педагогической науки», 2010); Пенза, ПГПУ, VI Всероссийская научно-практическая конференция («Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке», 2010); Самара, СамГУПС, VII Всероссийская научно-практическая конференция («Наука и культура России», 2010); Краснодар, Всероссийская заочная научно-практическая конференция («Современные тенденции развития среднего и высшего образования в России», 2010); Рузаевка, МГУ им. Н.П. Огарева, Всероссийская научно-практическая конференция («Организационные, философские и технические проблемы современных машиностроительных производств», 2007); Рузаевка, МГУ им. Н.П. Огарева, Всероссийская научно-практическая конференция («Машиностроение: наука, техника, образование», 2010); Саранск, МГУ имени Н.П. Огарева, Региональная методическая конференция («Огаревские чтения», 2010).
Результаты исследований внедрены в учебный процесс Рузаевского института машиностроения по специальностям: 151001 «Технология машиностроения», 151002 «Металлорежущие станки и инструменты»; Института механики и энергетики Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева по специальностям: 110301«Механизация сельского хозяйства», 110304 «Технология технического обслуживания и ремонта машин»; Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина по специальностям: 110301«Механизация сельского хозяйства», 110304 «Технология технического обслуживания и ремонта машин».
Структура диссертации.
Основные этапы исследования представлены в диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений. Общий объем диссертации 268 страниц, основной текст диссертации составляет 198 страниц. Работа включает 43 рисунка и 28 таблиц. Список литературы содержит 212 наименований. Приложения составляют 50 страниц.
Принципы построения структуры учебно-информационной среды для обучения будущих инженеров
Для определения степени информационно-профессиональной взаимосвязи курса ОТМ с общетехническими и специальными предметами, курсовыми и дипломными проектами дисциплин учебного плана конструкторско-технологических специальностей проводился анализ их содержания. Также определялась степень обращения содержания курса1 ОТМ к фундаментальным и профессионально-направленным знаниям при реализации расчетных алгоритмов, исследовательских (лабораторных) моделей, конструкторско-технологических (курсовых) проектов.
Анкета для студентов конструкторско-технологических специальностей включала следующие вопросы:
1. Какое значение имеет изучение дисциплины «Основы технологии машиностроения» в общей системе подготовки инженеров для современных предприятий, использующих компьютерные технологии в процессе реализации задач автоматизации конструирования и проектирования технологических процессов изготовления изделий?
2. В чем Вы видите недостатки машиностроительной продукции и главную проблему специальностей?
3. От чего, на Ваш взгляд, зависит качество машиностроительной продукции?
4. Дают ли естественнонаучные дисциплины необходимые теоретические знания для изучения общетехнических (в том числе курса «Основы технологии машиностроения») и специальных дисциплин?
5. Какую роль отводите компьютерным технологиям при решении конструкторско-технологических задач?
6. Помогают ли информационно-технологические знания при подготовке курсовых работ и дипломных проектов?
7. Повышает ли изучение курса «Основы технологии машиностроения» Ваш интеллектуальный потенциал. Способствует ли изучение курса ОТМ развитию творческого мышления?
8. Способствует ли внедрение в учебный процесс специализированного программного обеспечения (алгоритмов, моделей) повышению информационно-технологической подготовки?
9. Возможна ли без фундаментальных естественнонаучных, научно-технических знаний по естественнонаучным и общетехническим дисциплинам, в том числе по курсу «Основы технологии машиностроения», учебно-исследовательская и проектно-технологическая работа по специальности?
10. В чем Вы видите главную проблему своей будущей специальности в условиях модернизации и повышения уровня технологичности современной промышленности?
Как правило, студенты считают, что естественнонаучные дисциплины (информатика, математика физика и т.д.) в инженерном вузе носят общеобразовательный характер, существенной роли в изучении дисциплин общетехнического цикла (в т.ч. курса ОТМ) не играют. На экзаменах по общетехническим конструкторско-технологическим дисциплинам: «Основы технологии машиностроения», «Компьютерная графика», «Детали машин и основы конструирования», около 60% студентов ответили, что слабо просматривают связь данных дисциплин с фундаментальными. Экзамены по специальным дисциплинам («Технология машиностроения», «Металлорежущие станки», «Проектирование и производство режущего инструмента» и др.) показали, что, изучая специальные дисциплины, студенты практически не обращаются к фундаментальным законам физики и научно-техническим теориям. Но именно эти теоретические знания стимулируют творческий поиск, направленный на решение проблем специальностей, т.е. более 60% студентов не связывают естественнонаучные курсы дисциплин с общетехническими и специальными. Около 65% студентов считают, что без информационно профессиональной базы невозможно на современном уровне выполнение работ по алгоритмическим расчетам, исследованию моделей, автоматизации проектирования по общетехническим и специальным дисциплинам. Однако реально применяют новые информационные технологии (CAD-CAM-CAE системы) при выполнении расчетных технологических и исследовательских разделов, курсовых и дипломных работ только около 47% студентов. Анализ выполнения лабораторных работ по курсу ОТМ показал, что трансформировать последовательность формул в алгоритм, для его программной реализации, смогли только 43% студентов. Теоретические знания и практические умения по методам функционального, эквивалентного и геометрического моделирования продемонстрировали только 38% студентов. Анализ ответов по материалам курсовых проектов показал, что 15% студентов не применяют комплексно и во взаимосвязи алгоритмические, модельные и проектные знания и умения, а 46% затрудняются с ответами по информационной интерпретации функционирования технических устройств различной физической природы.
Одновременно с анкетированием студентов было проведено анкетирование преподавателей, обучающих будущих инженеров естественнонаучным, общетехническим и специальным дисциплинам (в тех же вузах), которым было предложено ответить на следующие вопросы:
1. Реализуется ли в процессе преподавания естественнонаучных дисциплин принцип профессиональной направленности обучения на широкой информационной основе?
На основе полученных данных мы пришли к следующим выводам:
- большинство студентов не видит взаимосвязи учебного материала курса ОТМ с фундаментальными и специальными дисциплинами учебного плана специальности;
- базовые алгоритмические, модельные и проектно-технологические знания и умения, полученные в дисциплинах информационного направления, не имеют эффективного применения в последующих дисциплинах, в том числе свойства, вязкость).
2. Выбирает метод технологического проектирования: - диалоговое проектирование с использованием баз технологических данных; - проектирование на основе технологического процесса-аналога; - заимствование технологических решений из ранее разработанных технологий; - проектирование с использованием библиотеки технологических решений; - проектирование групповых и типовых технологических процессов; - проектирование из общего технологического процесса; - автоматическое проектирование с использованием библиотеки технологических решений.
3. Рассчитывает технологические данные операций, относящихся к различным классам: обработка резанием, сборочные, электромонтаж, испытания, получение различных покрытий, сварка, пайка, порошковая металлургия, электрофизическая и электрохимическая обработки, консервация и упаковывание, технический контроль и др. Получаемые данные реализуются в следующих формах: маршрутные, маршрутно-операционные и операционные карты, карты групповых и типовых технологических процессов, ведомости оснастки и оборудования, комплектовочные карты и ведомости вспомогательных материалов в полном соответствии с ЕСТД.
В наиболее развитых моделирующих пакетах по технологии машиностроения начинают появляться экспертные надстройки для оптимизации параметров.
Основы технологии машиностроения» как учебный предмет в системе подготовки будущих инженеров конструкторско-технологических специальностей в учебно-информационной среде
«Основы технологии машиностроения» как учебный предмет (общетехническая дисциплина) представляет собой отрасль науки, занимающуюся исследованием закономерностей технологических процессов изготовления машиностроительных изделий с целью использования результатов для обеспечения требуемого качества и количества изделий с оптимальными технико-экономическими показателями [103]. Данных показателей можно добиться только при условии грамотного составления последовательности технологического процесса (вычислительные алгоритмы), исследования процесса изготовления детали при различных режимах обработки (модельные эксперименты), проектирование технологических процессов деталей высокого качества с минимальными затратами (технологические проекты). Поэтому вопросы вычислительных алгоритмов, исследования моделей и проектирования технологических процессов изделий проходят магистральной линией через ряд курсов учебного плана будущих инженеров конструкторско-технологических специальностей. И наоборот, многие вопросы циклов дисциплин взаимосвязаны с темами курса ОТМ. Например, при подготовке дипломированного специалиста по направлению «Конструктороко технологическое обеспечение машиностроительных производств» — ряд фундаментальных и прикладных вопросов курса ОТМ, реализованных в "УЗЯС, тесно увязаны с дисциплинами учебного плана (рис. 2.2.1). Проведенный анализ взаимосвязи физики, техники и информатики показывает, что каждому физическому закону и теории через информационные процессы соответствуют профессиональные объекты, научно-технические теории и технологии. Взаимодействие и взаимосвязь развития науки, техники и информатики можно проиллюстрировать на примере применения фундаментальных законов в курсе ОТМ (табл. 2.3.2).Анализ взаимосвязи фундаментальных, научно-технически . и информационных знаний по дисциплине ОТМ можно было бы продолжен _ь по всем остальным разделам рассматриваемой дисциплины. Научно-техничх= ские теории промышленных технологий и технических объектов основан: ..—-л на интеграции фундаментальных физических и других естественноназ - —--іньтх законов. Поэтому методическая система обучения студентов курсу ОТМ к- Ъ/У должна обеспечить:
- взаимосвязь и преемственность циклов дисциплин конструктор ;__ ско технологической специальности;
- интеграцию фундаментальной, прикладной и информаци с= ИНО профессиональной подготовки будущих инженеров.
При изучении курса ОТМ актуальным становится ориентациг=а: на материалы профессиональных объектов деятельности инжг «г иера конструкторско-технологического направления. Только в этом случае уче=- 5ныи предмет будет профессионально и даже проблемно направлен і ± на рассматриваемую специальность. Современный подход к понятию «уч =г ныи предмет» в определении И.Я. Лернера формулируется следующим об; =» ізом: «Учебный предмет представляет собой педагогически адаптированную сії «== гему знаний и умений из какой-либо области действительности и соответствз" -=г = іДеи ей деятельности по усвоению и использованию этих знаний и уМЄ-і=і=03 в процессе учебного взаимодействия» [132]. Это определение включает, n zz=»zivtHMO знаний и умений, содержание деятельности по усвоению собственно уч:е -« ї :ного материала данной дисциплины, содержание деятельности оценочна коммуникативного характера, т.е. отражает в единстве содержатель процессуальный аспекты.
Необходимость включения вспомогательных знаний в процессуальный блок рассматривается в работе [175]. Справедливо обосновывается это тем, что знания, «введенные в определенный контекст обучения, способны выполнить и выполняют функцию одного из средств усвоения научных знаний, обеспечивающего развитие и воспитание учащихся на базе этих знаний».
Процессуальный блок включает способы деятельности как репродуктивные, так и творческие по усвоению учебного материала, и формы обучения. В нашем случае данная структура учебного предмета даст возможность сконцентрировать в УИС фундаментальную и научно-техническую теорию и определить место профессионально направленного материала на решение главной проблемы специальности, (изготовление изделий высокого качества с минимальными затратами). Содержание учебного предмета, его содержательный и процессуальный блоки при обучении в УИС регулируются принципами конструирования содержания обучения.
Данные принципы обучения, их классификация и закономерности рассматриваются во многих работах [9], [10], [28], [35], [46], [47], [53], [58], [66], [72], [75], [94], [136], [184], [208]. Одним из наиболее общих дидактических принципов является принцип единства содержательной и процессуальной сторон обучения, означающий, что в содержание образования должно быть включено не только предметное содержание, но и способы передачи обучающимся и усвоения ими содержания, а также связанные с ними действия. При конструировании содержания учебного предмета должен учитываться принцип структурного единства содержания образования на разных уровнях его формирования: при движении от общих к более частным и, в конечном счете, к конкретным формам его реализации в процессе обучения.
Информационно-методическое обеспечение курса «Основы технологии машиностроения» на уровнях учебно-информационной среды при решении практических задач
В данной главе рассматривается реализация разработанной
методической системы обучения студентов инженерных вузов общетехнической дисциплине ОТМ в УИС. Приводится разработанное содержание курса ОТМ, особенностями которого являются: выделение информационно-тематических составляющих в соответствии с содержательными линиями «расчетный алгоритм», «исследовательская модель», «технологический проект» и их реализация на образовательных уровнях УИС.
Особенности содержания курса реализуются во всех формах учебных занятий (лекции, лабораторные работы, практические задания, курсовой проект). Профессионально-направленное содержание курса определено, исходя из анализа межпредметных связей курса ОТМ с естественнонаучными, общетехническими и специальными дисциплинами на уровнях УИС.
Информационно-методическое обеспечение курса «Основы технологии машиностроения» на уровнях учебно-информационной среды при решении практических задач
В соответствии с методической системой обучения будущих инженеров, разработано содержание курса ОТМ на образовательных уровнях УИС. Компонентами конструирования содержания в УИС являются информационно-технологические факторы, принципы, критерии, которые реализуются в типовых или специализированных программных комплексах. Поэтому, особенностями формирования содержания курса являются:
— выделение информационно-тематических составляющих курса и их реализация на расчетно-алгоритмическом, модельно-исследовательском и проектно-технологическом уровнях УИС в форме алгоритмических расчетов, математических моделей и технологических проектов;
- группировка материала вокруг естественнонаучных фундаментальных и научно-технических теорий;
- учет в содержании курса ОТМ взаимосвязи фундаментальных, профессионально-направленных и информационных знаний и умений.
Содержание дисциплины ОТМ строится на трех образовательных уровнях УИС. Рассмотрим применение информационных технологий при обучении курсу ОТМ на каждом уровне УИС.
1. Информационное обеспечение курса ОТМ на расчетно алгоритмическом уровне УИС.
Как показал констатирующий эксперимент, у многих студентов возникают определённые трудности, связанные с разработкой блок-схем алгоритмов решения технологических задач, трансформацией их в программу и реализацией с помощью компьютерных средств. Поэтому необходимо включить в содержание темы, связанные с правилами алгоритмизации и компьютерной реализацией методов, расчета выходных параметров технологических систем с нелинейной и линейной характеристиками, численного интегрирования и дифференцирования, оптимизации и аппроксимации этих параметров в задачах машиностроения.
Алгоритм технологической задачи представляет собой точное предписание, определяющее вычислительный процесс, ведущий от варьируемых начальных данных к искомому результату. Он должен содержать конечную последовательность шагов или операций, однозначно определяющих процесс переработки исходных и промежуточных данных в искомый результат. Свойства алгоритма технологической задачи совпадает со свойствами «фундаментального» алгоритма (определенность, результативность, массовость, дискретность). Структура технологической задачи курса ОТМ складывается из совокупности алгоритмов линейной, разветвленной и циклической структуры [210].
Рассмотрим пример составления алгоритма решения технологической задачи. Требуется составить алгоритм и программу для определения усилия Р, изгибающей оправку с торцевой фрезой под действием составляющих сил резания Pz и Ру.
В приложении 1 представлены примеры заданий на составление алгоритма и его последующей реализации при решении типовых задач по курсу ОТМ.
Вторым типом алгоритмических задач, реализуемых на расчетно-алгоритмическом уровне УИС, являются задачи, связанные с построением компьютерной базы технологических параметров. Для курса ОТМ рекомендуется использовать следующие типы систем управления базами данных (СУБД):
- однофайловые (Professional Report, Professional File, Reflex, Formula TV) - наиболее простые в обращении системы, не требующие больших компьютерных ресурсов. Их целесообразно использовать для формирования картотек материалов машиностроительных изделий;
- многофайловые непрограммируемые (Quick Code, Magic PC, СУБД интегрированного пакета MS Works) - предоставляют пользователям хранить и использовать записи различных типов, что необходимо для всестороннего описания разных видов технологических процессов;
- многофайловые программируемые - (dBASE Ш Plus , dBASE IV, FoxBASE Plus («Карат M»), Oracle («Каре Микро»), Clipper, Paradox, MS Access) предоставляют будущему инженеру-технологу возможности по написанию прикладных программ, рассчитывающих динамические режимы работы технологических линий;
- многопользовательские (Microsoft SQL Server) — используются для работы в локальных компьютерных сетях. Они могут использоваться для обмена информацией по параметрам технологического процесса между пользователями сети.
Для тем курса ОТМ, в которых конструируются режимы оптимизации подбора базы материалов для заготовок изделий, параметров технологического процесса, необходимо: использование компьютеров, обладающих значительными ресурсами по производительности и объему памяти; применение периферийных устройств, облегчающих работу пользователей с базами данных (сканеров простого и «читающего» тексты типов, средств ввода/вывода речевой информации, микрофильмирующих устройств вывода и др;); применение унифицированных интерфейсов для доступа пользователей к базам данных из других областей знаний.
Констатирующий и поисковый этапы эксперимента
Задачей констатирующего эксперимента было выявление состояния фундаментальной, профессионально-направленной и информационной подготовки по курсу ОТМ студентов инженерных специальностей: «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты», «Механизация сельского хозяйства», «Технология технического обслуживания и ремонта машин». Результаты эксперимента и их анализ приведены в главе 1.
Поисковый эксперимент проводился для тех же специальностей и решал следующие задачи:
— выявление уровня теоретических знаний по естественнонаучным дисциплинам и научно-техническим теориям и возможности применения этих знаний в курсе ОТМ с учетом информационно-профессиональной направленности обучения студентов;
— выявление причин недостаточного понимания студентами технических вузов взаимосвязи информационных компонентов (алгоритмизации расчетов, моделировании и исследовании технологических процессов, проектировании технологий изготовления изделий) при их реализации в курсе ОТМ;
— выявление отношения преподавателей к идее взаимосвязи фундаментальности естественнонаучных дисциплин и профессиональной направленности курса ОТМ;
- выявление информационно-профессионального содержания и места его изучения в курсе ОТМ;
— выявление затруднения студентов при изучении предложенного материала и его доступности;
- выявление достоинств и недостатков разработанной методики реализации комплексной взаимосвязи фундаментальных знаний естественнонаучных дисциплин и научно-технических теорий с профессиональной направленностью материала курса ОТМ средствами УИС и проведение их коррекции. Уровень теоретических знаний, по фундаментальным естественнонаучным и общетехническим дисциплинам и возможности применения этих знаний с учетом профессиональной направленности на решение проблемы специальности, при традиционном изложении материала курса ОТМ определялся при помощи контрольных работ, включающих 12 вариантов задач и вопросов.
Контрольные работы были предложены студентам четвертых: и пятых курсов специальностей: «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты», «Механизация сельского хозяйства», «Технология технического обслуживания и ремонта машин».
Задачи и вопросы, которые предлагались студентам четвертых курсов, содержали материал раздела «Основы разработки технологического процесса изготовления изделий».
1. Алгоритм подбора сведений о детали и технических требований на ее изготовление.
2. Алгоритм подбора материала детали, его химических и механических свойств по архиву ГОСТов.,
3. Алгоритм анализа технологичности конструкции деталей. 4. Алгоритм определения типа производства.
5. Алгоритм расчета исполнительных размеров заготовок.
6. Алгоритм разработки маршрута технологического процесса обработки заготовки.
7. Алгоритм выбора и обоснования технологических баз.
8. Алгоритм определения припусков и межоперационных размеров и их допусков.
9. Алгоритм выбора оборудования и средств технологического оснащения.
10. Алгоритм разработки операций технологического процесса с определением режимов резания и норм времени.
11. Алгоритм составления технологической документации.
Шесть вариантов работ для студентов четвертого курса содержали по три задания с целью выявления знаний на уровне простого воспроизведения, профессиональной ориентации их применения и объединение теоретических знаний с профессиональной ориентацией для решения конкретной профессиональной задачи.
1. Формулировка; тех или иных физических законов и научно-технических теорий как фундамент для исследования процессов в моделях технологического процесса изготовления деталей. Пример: - строение материалов деталей; —динамика поступательного движения деталей в процессе обработки; - перемещения режущего инструмента в процессе обработки деталей; - динамика вращательного движения заготовок в процессе обработки; - механические колебания системы «станок—приспособление— инструмент-деталь». 168 2. Определение проектируемых технологических процессов изготовления изделий, в которых применяются законы естественнонаучных дисциплин и научно-технических теорий. 3. Профессиональная задача, решаемая методом алгоритмического расчета, моделированием или проектированием, в которой фигурируют объекты или технологии, связанные с профессиональной деятельностью (используются сборники заданий к курсовым расчетно-проектно технологическим работам, лабораторным работам с дополнительными заданиями, имеющими научно-исследовательский уклон, предложенные программой курса ОТМ для конструкторско-технологических специальностей). Задачи и вопросы, которые предлагались студентам пятых курсов, содержали материал раздела «Основы разработки технологического процесса сборки изделий». - Алгоритм анализа служебного назначения изделия и его конструкции. - Алгоритм анализа соответствия технических требований, норм точности служебному назначению изделий. - Алгоритм выбора вида и организационной формы производственного процесса сборки изделия. - Алгоритм выбора методов достижения точности изделия и его контроля. - Алгоритм разработки модулей технологических процессов сборки. - Алгоритм разработки технологического маршрута и операций сборки. - Алгоритм выбора средств облегчения труда. Алгоритм нормирования процесса сборки и оформление технологической документации.
Шесть вариантов работ для студентов пятого курса содержали по три задания с целью выявления знаний на уровне простого воспроизведения, профессиональной ориентации их применения и объединение теоретических знаний и профессиональной ориентации- с применением компьютерных средств для решения конкретной профессиональной задачи.
1. Формулировка тех или иных законов естественнонаучных дисциплин и научно-технических теорий общетехнических дисциплин, применяемых в исследовании свойств параметров технологических процессов методом моделирования (закон Гиббса, модуль упругости Юнга, закон Гука, уравнение теплопроводности, закон о трении качения, о трении скольжения, об упругой и пластической деформации, о моментах инерции, о моментах вращения, о нагрузочном моменте).
2. Второй вопрос задания предусматривает установление взаимосвязи фундаментальных законов и понятий естественнонаучных дисциплин, законов и понятий научно-технических теорий с объектами и технологиями профессиональной деятельности с применением компьютерных средств. (Привести примеры, связанные с Вашей будущей специальностью на высокотехнологичных автоматизированных предприятиях производства).
3. Третий вопрос - решение профессиональной задачи на профессиональных объектах, связанных с физико-технической основой функционирования профессиональных объектов и совершенствования компьютерного проектирования технологических процессов.
