Трехмерное компьютерное моделирование в проектно-технологической деятельности кванторианцев
В статье рассматриваются вопросы технологий трехмерного моделирования в рамках инновационной площадки ДТ "Кванториум" г. Магнитогорска с целью освоения дисциплин проектно-технологического школьной программы и подготовки учащихся к получению высшего технического образования, развитие интереса, мотивации школьников к познавательной деятельности, к творческой проектной и проектно-технологической деятельности.
Введение Важнейшей отличительной особенностью стандартов нового поколения является их ориентация на результаты образования, причем они рассматриваются на основе системно - деятельностного подхода и личностно-ориентированного подхода. Целью курса 3D моделирования в рамках инновационной площадки ДТ "Кванториум" для всех квантумов (VR-квантум, IT-квантум, HiTech-квантум, Робо-квантум,) является агитация к получению высшего технического образования, развитие интереса школьников к познавательной деятельности. Все это должно развивать у детей мотивацию к изучению школьных предметов технической направленности: физики, математики, черчения, информатики, технологии. В связи с возрастающей сложностью объектов проектирования, требованиями к качеству (фотореалистичному) моделей проектов, сокращением сроков проектирования, эффективностью процесса проектирования в целом, трехмерное моделирование сегодня выступает самой актуальной альтернативой всем другим видам моделей, которые могут дополнять и являться основой для трехмерного моделирования (описание, чертежи, дорогостоящие материальные макеты) в современном архитектурно-дизайнерском проектировании и в обучении.
Трехмерная графика – это возможность проектирования виртуально пространства в трех измерениях. Одна из задач трехмерной графики – как можно реалистичней передать виртуальную действительность [3]. Компьютерный дизайн открыл новые перспективы при моделировании объектов, поскольку любая модель может быть создана в виртуальном 3-D пространстве и наглядно визуализирована с фотореалистичной достоверностью и воспроизведением материалов, структур, света и тени [4].
Как отмечают исследователи, стремительное развитие информационных технологий, появление новых технических средств, программного обеспечения требуют соответствующей подготовки от выпускников вузов, умеющих использовать в своей профессиональной деятельности возможности информационных технологий и программного обеспечения [7]. Мы считаем, что такую подготовку необходимо начинать еще в школе, в рамках дополнительного образования в ДТ Кванториум и в рамках сетевого взаимодействия между школами и вузами, что позволит обеспечить непрерывность и преемственность подготовки будущих специалистов. В соответствии с Приказом Министерства образования и науки Челябинской области от 29.09.2014 N 01/2887 "О концепция развития естественно-математического и технологического образования в Челябинской области «ТЕМП» и в соответствии с требованиями ФГОС основного общего образования [12] в рамках инновационной площадки нами была разработана программа «3Д-моделирование» для школьников города и для VR-квантума ДТ Кванториум. Также к данной программе разработано методическое пособие для учителей школ и наставников ДТ Кванториум [11].
Программа «3Д-моделирование» позволяет создать мотивационные условия для вовлечения субъектов образовательных отношений в развитие естественно-математического, технологического и технического образования путем формирования культуры комплексного применения обучающимися знаний в области естественно-математического, технологического и технического образования; организации сетевого взаимодействия (между ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Г.И. Носова и школами, управлением образования г. Магнитогорска) в реализации образовательных программ естественно-математической, технологической и технической направленностей; создании условий для повышения квалификации и профессионального мастерства педагогов и руководителей, привлечение молодых специалистов в сферу образования; популяризации технологического и естественно-математического образования, (совместно с такими промышленными предприятиями как НПО «Андроидная техника», крупнейшего российского разработчика инженерного программного обеспечения и интегратор в сфере автоматизации проектной и производственной деятельности кампании АСКОН и ряда других предприятий); расширения спектра и форм развития способностей школьников.
Цель данного курса это - развитие пространственных представлений и формирование общенаучных понятий в процессе моделирования; интеграция 3Д-моделирования в другие виды учебной деятельности (проектную, исследовательскую); возможность создания моделей с обратной связью; организация коллективной формы работы, содействие развитию навыков коллективного труда - умение распределять обязанности, планировать свои действия в соответствии с общим замыслом, добиваться коллективного результата, делать выводы, работать над общим проектом; развитие словарного запаса и навыков общения при выполнении и защите работы; развитие и поддержание интереса к школьным предметам (физика, математика, черчение, информатика, технология).
Среди основных задач данного курса можно выделить: ознакомление учащихся с методом научного познания; приобретение учащимися знаний о технике, технологии, информатике, физике в условиях современного производства; овладение решением задач геометрического моделирования и применения интерактивных графических систем для выполнения и редактирования изображений, чертежей трехмерных моделей реального физического мира и управление ими; ежедневное включение в познавательные процессы современных технических средств (устройств и программ) для достижения понимания принципа работы того или иного продукта, что является ключевым условием изучения новой технологии, применение полученных знаний на практике; ознакомление с основами работы с программой Компас-3D, Autodesk 3ds MAX формирование практических навыков работы с командами программы и знакомство со спецификой твердотельного моделирования в среде программы Компас-3D; развитие умения работать по предложенным инструкциям; развитие умения творчески подходить к решению задачи; развитие умения довести решение задачи до работающей модели; развитие пространственного представления и конструктивного мышления при разработке индивидуальных или совместных проектов; развитие умения излагать мысли в четкой логической последовательности; отстаивать свою точку зрения, анализировать ситуацию и самостоятельно находить ответы на вопросы путем логических рассуждений.
Основные формы обучения - теоретические занятия, интерактивные практические занятия по созданию, сборке трехмерных моделей сборочных узлов различного назначения (головоломки, простые механические узлы, модели реального мира).
Главным средством курса является твердотельное моделирование в системе Компас-3D [1]. Твердотельное моделирование в системе Компас-м является современным и доступным для детей средством организации творческих способностей учащихся через формирование исследовательских навыков в ходе проектной деятельности, который отдается приоритет в условиях реализации ФГОС второго поколения.
Моделирование осуществлялось также и в программе Autodesk 3 dsMAX, являющейся одной из наиболее известных полнофункциональных профессиональных программных систем для создания и редактирования трёхмерных моделей и анимации (рис. 2, 3). Данный графический пакет обрёл широкую известность благодаря широкому спектру разнообразных инструментов моделирования, визуализации и видеомонтажа [5].
Основным методом моделирования трехмерных объектов является моделирование на основе набора стандартных примитивов, которые, как правило, служат для создания объектов более сложной формы. Различные методы моделирования могут сочетаться друг с другом.
Следует также отметить, многие исследователи рассматривают процесс трехмерного объектов в рамках проектного и проектно-процессного подхода [8], и отмечают, что он включает в себя следующие взаимосвязанные процессы: создание 3 D модели → текстурирование объектов → освещение и установка камер → визуализация объектов [5]. Процессу создания трехмерной модели объекта в большинстве случаев предшествует двухмерное моделирование – это разработка плана, чертежа (двухмерного), который выполняется на основе проведенного анализа проектной ситуации, композиционно-пластического моделирования (эскизирования).
Процесс создания трехмерной модели объекта включает в себя следующее: создание 3D объекта, путем применения различных операций, позволяющих смоделировать сложные формы (стандартные примитивы, полигональное моделирование, сплайновое моделирование с применением специальных модификаторов, лофтинговое моделирование). Процесс текстурирования объектов, предполагает следующее: анализ объекта и выбор соответствующих текстур, материалов или их создание, а затем их размещение в трехмерной сцене для каждого объекта. Следующий этап – это освещение сцены и установка камер, источники освещения настраиваются определенным образом с соответствующими характеристиками, как для интерьера, так и для экстерьера.
Процесс визуализации объектов, как правило, состоит из следующих этапов: подготовка сцены к визуализации и задание соответствующих настроек. При визуализации большое значение имеет качество выпуска конечной продукции – изображения или анимационного ролика, для чего в Autodesk 3ds Max имеется несколько модулей визуализации, способных создавать как упрощённое изображение для пробной визуализации, так и осуществлять сложные расчёты с учётом отражённого света, воздушной среды и последующей обработки изображения, позволяющей имитировать живописные или графические традиционные художественные техники [5]. На основе 3D модели можно создать анимационный ролик, который дает возможность оценить все параметры предмета проектирования – с учетом, например, ландшафта, материалов, освещения, времени суток. В программе Компас-3D не предусмотрен процесс визуализации, но, тем не менее, можно подготовить изображение в одном из известных форматов растровой графики для просмотра на различных устройствах (рис.1).
Рис. 1. Трехмерная модель головоломки, выполненная в программе Компас 3D.
Рис. 2. Трехмерная головоломки, выполненная в программе Autodesk 3ds Max, итоговая визуализация.
Рис. 3. Трехмерная модель объекта, выполненная в программе Autodesk 3ds Max, итоговая визуализация.
Цель курса "3D-моделирование" - это заинтересовать (привлечь) современного школьника заниматься познавательной деятельностью. Изучение специализированных программ трехмерного моделирования (Autodesk AutoCAD, Autodesk Inventor, Autodesk 3ds Max, Компас-3D) обеспечивает развитие пространственного представления и возможность сопоставления реального мира и чертежа [3]. Необходимость в компьютерном моделировании объектов реального мира возникает сегодня в любых областях человеческой деятельности. Основное назначение трехмерного моделирования, это визуализация проектных решений. Для работы с трехмерными объектами необходимо знать геометрию, стереометрию, математику, физику, оптику, информатику [10]. Все это должно развивать у детей интерес к изучению школьных предметов технической направленности: физики, математики, геометрии, черчения, информатики, технологии. Данный курс предусматривает наглядную демонстрацию процесса создания технического узла, реального работающего простого механизма из жизни (машина [2], трехмерная головоломка и т. д.). Для этого сначала нужно провести моделирование и в процессе обучения получить реальную деталь. Все это в комплексе покажет действительную связь школьных дисциплин с жизнью, наукой и производством. Одна из особенностей курса «3Д-моделирования» - наглядность и достижимость результатов обучения, что должны быть видны детям и их родителям практически сразу. И здесь перспективным является вариант, при котором ресурсы университета, а это современные технологии 3D печати и станки с ЧПУ, приумножат возможности школ. Такой подход позволит детям демонстрировать результаты своей учебы и, тем самым, заинтересовать своих сверстников, то есть популяризировать технологическое образование. Учащиеся получают возможность увидеть, что сложные механизмы на производстве, состоят из простых, но разных деталей. Это позволит поднять на новый уровень занятия: в имеющихся Кванториуме инженерных лабораториях (хай-тек мастерская) школьники фактически могут реализовать полный жизненный цикл изготовления изделия, как это происходит на любом современном предприятии - учащимся, согласно программе курса, доступен весь процесс: от идеи, разработки концепции, создания 3D-модели и расчетов до виртуального тестирования, а затем и до изготовления опытного образца на станках, тестирования и доработки. При этом физика, математика, черчение и другие школьные предметы изучаются на практике. Осваивается командная и проектная работа. Это сформирует у обучающихся устойчивое и системное представление о возможностях технологического образования и даст положительную динамику числа конкурсов, олимпиад, форумов политехнической направленности [9]. В процессе работы учащиеся приобретают способность концентрироваться на практических задачах, усваивают принцип работы простых механизмов. Успешно решенные задачи стимулируют учащихся применять и проверять полученные в процессе обучения знания в других областях. Собирая конструкции и модели, учащиеся постепенно знакомятся с различными видами механизмов, движения, узнают, как работают обычные механизмы и устройства в повседневной жизни.
Рабочая программа курса «3Д-моделирование» основана на личностно-ориентированном подходе к каждому обучающемуся. Для достижения цели программы курса используются средства и формы, которые способствуют наиболее полному и глубокому пониманию школьных предметов, которые способствуют реализации возможностей каждого обучающегося в раскрытии физической картины познания мира. Курс «3Д-моделирование»» позволит получить следующие результаты [9]:
Личностные результаты – это сформировавшаяся в образовательном процессе система ценностных отношений учащихся к себе, другим участникам образовательного процесса, самому образовательному процессу, объектам познания, результатам образовательной деятельности. Основными личностными результатами, формируемыми при изучении данного курса, являются: готовность к повышению своего образовательного уровня и продолжению обучения; способность и готовность к общению и сотрудничеству со сверстниками и взрослыми в процессе образовательной, общественно-полезной, учебно-исследовательской, творческой деятельности.
Готовность и способность к самостоятельному обучению на основе учебно-познавательной мотивации, в том числе готовности к выбору направления профильного образования с учётом устойчивых познавательных интересов.
Метапредметные результаты – освоенные обучающимися на базе внеурочных занятий способы деятельности, применимые как в рамках образовательного процесса, так и в других жизненных ситуациях. Основными метапредметными результатами являются: владение умениями самостоятельно планировать пути достижения целей; соотносить свои действия с планируемыми результатами, осуществлять контроль своей деятельности, определять способы действий в рамках предложенных условий, корректировать свои действия в соответствии с изменяющейся ситуацией; оценивать правильность выполнения учебной задачи; владение основами самоконтроля, самооценки, принятия решений и осуществления осознанного выбора в учебной и познавательной деятельности; владение основными универсальными умениями: постановка и формулирование проблемы; поиск и выделение необходимой информации, применение методов информационного поиска; структурирование и визуализация информации; выбор наиболее эффективных способов решения задач в зависимости от конкретных условий; самостоятельное создание алгоритмов деятельности при решении проблем творческого и поискового характера.
Предметные результаты включают в себя: освоенные обучающимися в ходе изучения данного курса умения специфические для данной предметной области, виды деятельности по получению нового знания в рамках данного курса, его преобразованию и применению в учебных, учебно-проектных и социально-проектных ситуациях, формирование научного типа мышления, научных представлений о ключевых теориях, типах и видах отношений, владение научной терминологией, ключевыми понятиями, методами и приемами. В соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом общего образования основные предметные результаты отражают: формирование физической картины мира; формирование умений применения теоретических знаний на практике, умения выбирать способ решения поставленной задачи [9].
Заключение
Таким образом, компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения данного курса 3 Д моделирования в Кванториуме - это способность и готовность использовать технологии трехмерного моделирования, в том числе современные средства компьютерной графики (Компас-3D, Autodesk 3ds Max), в своей предметной области. Технологии трехмерного моделирования, изучение которых предусмотрено разработанной нами программой курса «3Д-моделирование» для VR- квантума, помогают учащимся в освоении дисциплин проектно-технологического школьной программы и в подготовке к получению высшего технического образования, способствуют развитию мотивации школьников к познавательной деятельности, к творческой проектной и проектно-технологической профессиональной деятельности.
Список литературы:
1. Азбука КОМПАС-3Д, V15. – М. : ЗАО АСКОН, 2014 г.
2. Кадошников В.И. Аксенова М.В. Старушко А.А. Белан А.К. Система организации проектирования технологических комплексов. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-т им. Г. И. Носова, 2012. - 148 с.
3. Решетникова Е.С., Усатая Т.В., Усатый Д.Ю. Компьютерная графика в дизайне и проектировании // Архитектура. Строительство. Образование. - 2015. – №2(6). – С. 194 - 202.
4. Компьютерное моделирование и виртуальная реальность // Открытые системы. URL: htpp://www.osp.ru/ap/1998/02/13031671/ (Дата обращения 10.06.2014).
5. Проектирование и анимация в 3 ds Max учебник /А.Д. Григорьев, Т.В. Усатая, Э.П. Чернышова Магнитогорск : МГТУ, 2015. – 476 с.
6. Проектирование и моделирование промышленных изделий : учеб. для вузов / С.А. Васин, А.Ю. Талащук, В. Г. Бандорин, А.Ю. Грабовенко, Л.А. Морозова, В.А. Редько ; под ред. С.А. Васина, А.Ю. Талащука. – М.: Машиностроение-1, 2004. – 692 с.
7. Савочкина Л.В. Моделирование учебного процесса на основе применения технических средств // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова - №1, 2006. – С. 25-27.
8. Савочкина Л.В. Формирование готовности студентов университета к графической деятельности на основе проектно-процессного подхода: автореф. дис. … канд. пед. наук / Л.В. Савочкина. – Магнитогорск: 2010. – 24 с.
9. Усатый Д.Ю., Усатая Т.В. 3Д-Моделирование // Программа элективного курса для школьников. 10 класс. – Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова, 2015 г. – 23 с.
10. Усатая Т.В. Решетникова Е.С. Технологии САПР для оптимизации процесса обучения компьютерной графике в техническом университете // Механическое оборудование металлургических заводов: междунар. сб. науч. тр. / под ред. Корчунова А.Г. Вып. 3. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2014. – С. 133-138.
11. Усатая Т.В.Программа курса "3Д-моделирование" для 10 классов [Электронный ресурс]: учебно-методическое пособие / Т.В. Усатая, Д.Ю. Усатый - Электронные данные. - М.: ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР», 2018. - 1 эл. опт. диск (CD-ROM).
12. Федеральный государственный образовательный стандарт основного общего образования // М-во образования и науки Рос. Федерации. - М.: Просвещение, 2014.