(Компас школьника в трехмерном мире)
Александр Богуславский
Программно-методический комплекс – ПМК "Школьная система автоматизированного проектирования" разработан в 1991-1994 годах. В 1993 году одобрен Главным управлением развития общего и среднего образования Министерства образования РФ. Основу ПМК составляют программы "Компас-Школьник" и "Образ". Создание ПМК было поддержано КУДИЦ, который как научно-методический центр проекта "Пилотные школы" включил разработку ПМК "Школьный САПР" в программу информатизации образования. В настоящее время ПМК используется более чем в 400 школах России.
Сейчас условия применения ПМК в образовательных учреждениях,
в первую очередь в средних школах, значительно улучшились, т. к. компания АСКОН
(http://www.ascon.ru) с июня 1998 года приступила
к бесплатному распространению хорошо зарекомендовавшего себя в последнее время
"школьного" чертежного пакета "Компас-Школьник". Одновременно началось бесплатное
распространение системы твердотельного геометрического моделирования "Образ",
разработанной нижегородским партнером АСКОН – НВЦ "ГеОС" для применения в учебных
целях.
Эту акцию компания АСКОН, которая многие годы работает с образовательными
учреждениями, предприняла в ответ на просьбы Российской ассоциации учителей
и преподавателей информатики, НМС по специальности "Технология и предпринимательство",
Коломенского педагогического института и своих многочисленных партнеров из сферы
среднего и профессионального образования.
"Компас-школьник" разработан компанией АСКОН на базе профессиональной
чертежно-конструкторской системы "Компас-График 4.х" для DOS и по сути является
его "облегченной" версией (в нем ограничен размер и сложность модели чертежа,
закрыта работа с профессиональными библиотеками, отсутствуют некоторые профессиональные
функции). При этом "Компас-Школьник" – достаточно мощный и полноценный коммерческий
продукт, тщательно оттестированный, оснащенный развитой системой помощи и поддерживаемый
фирмой-изготовителем.
Программы ПМК предъявляют минимальные требования к аппаратным
средствам. Для их эксплуатации достаточно ПК с процессором 286 и выше, 640 Кбайт
оперативной памяти, MS-DOS 5.0 и выше, монитором VGA. Для вывода созданных чертежей
можно использовать широкую гамму принтеров и графопостроителей. Ученическая
часть программы "Компас-Школьник" (без утилиты печати) может размещаться на
системной дискете.
При разработке ПМК мы учитывали, что успех в применении компьютерных
технологий зависит прежде всего от того, насколько информационные технологии
(ИТ) помогут улучшить преподавание традиционных, хорошо обеспеченных методически,
школьных предметов. Действительно, сегодня новое программное обеспечение представляет
собой, как правило, "радость разработчика" и не оказывает существенного влияния
на процесс обучения в средней школе. Именно эти факты позволили предположить,
что первое реальное применение компьютер найдет в образовательной области "Технология"
при изучении универсальных компьютерных приложений: текстовых редакторов, электронных
таблиц, графических редакторов и в школьном предмете "Черчение", т. к. машиностроительное
производство идет по пути постепенного, но неуклонного развития автоматизированного
производства. Отметим, что в московском базисном учебном плане по информатике
и ИТ предусмотрен дополнительный модуль "Системы автоматизированного проектирования".
Факультативный блок "Конструирование с помощью компьютера (CAD)" предусмотрен
и рекомендациями ЮНЕСКО.
ПМК обеспечивает создание полных компьютеризованных учебных
курсов "Инженерная графика", "Черчение", "Детали машин", "Теория машин и механизмов",
а также выполнение лабораторных работ, курсовых и дипломных проектов при подготовке
учителей технологии. В целом ПМК знакомит учащихся с методами автоматизации
традиционного проектирования "снизу вверх", которое пока доминирует в промышленности.
В состав ПМК входят учебное пособие для учащегося (в двух
частях), пособие для учителя (в трех частях), дискета с файлами чертежей и их
фрагментов. Основное назначение - компьютерная поддержка образовательной области
"Технология": школьного курса "Графика/Черчение", технологии обработки конструкционных
материалов с элементами машиноведения; раздела курса ОИВТ "Деловые применения
ЭВМ"; курса "Геометрия". ПМК с успехом может быть использован в средних специальных
профессиональных учебных заведениях и на младших курсах вузов.
Рассмотрим составляющие ПМК.
1. Чертежно-графический редактор "Компас-Школьник", сохранив
основные черты профессиональной версии, обеспечивает в полном соответствии с
ЕСКД:
- ввод геометрической информации с экрана компьютера при
помощи клавиатуры и мыши;
- ввод элементарных графических элементов: отрезков, дуг,
окружностей, фасок, скруглений, текста;
- ввод русских, латинских и греческих строчных и прописных
букв, арабских и римских цифр, специальных символов (знаки диаметра, градуса
и т. д.);
- выполнение вспомогательных построений (параллельных и перпендикулярных
линий, касательных, сопряжений и т. п.);
- простоту и минимум действий при вводе составных чертежных
элементов и элементов оформления чертежа: размеров (линейных, угловых, диаметральных
и радиальных), штриховки, таблиц, знаков шероховатости и т. д.;
- полуавтоматическое заполнение граф штампа;
- редактирование изображения (сдвиг, поворот, копирование,
зеркало и т. д.);
- использование фрагментов;
- увеличение изображений в окне и работа с ним;
- компоновку видов на чертеже;
- выдачу чертежа на принтер любого типа или графопостроитель
и многое другое, что облегчает работу конструктора и позволяет
достичь высокого качества выполняемых чертежей.
 |
|
Рис. 1. Экран архива чертежей |
Чертеж в редакторе строится из отдельных частей, названных видами.
 |
| Рис. 2. Экран работы с чертежом |
 |
| Рис. 3. Экран работы с видом |
 |
| Рис. 4. Чертеж детали после вывода на лазерный принтер |
При работе с редактором учащийся оперирует такими понятиями конструкторского документа, как чертеж, вид, основная надпись, технические требования, шероховатость, размер, допуск и т. д.. Работу над чертежом значительно ускоряют дополнительные средства: аппарат вспомогательных построений для имитации работы "в тонких линиях", полуавтоматическое формирование таблиц, автоматическая простановка допусков к размерам и т. д. Отметим, что учащимся значительно удобнее работать с текстовыми меню редактора, чем запоминать большое число пиктограмм.
2. Программа "Образ" предназначена для создания моделей пространственных твердотельных объектов. Входной информацией для нее служат три вида в системе прямоугольных проекций, удовлетворяющих определенным требованиям. Проекции могут содержать только геометрическую информацию: отрезки прямых, окружности и дуги окружностей. При этом все линии, независимо от их видимости, должны быть одного типа - сплошные. Штриховые линии чертежа программа восстановления автоматически преобразует в сплошные. Элементы оформления чертежа (оси симметрии, размеры, надписи и т. п.) не используются. "Образ" позволяет методом чтения чертежа создать два вида пространственных геометрических объектов: каркасную, или проволочную модель (при этом невидимые линии могут быть удалены), и объемное тело. Файл чертежа готовится пользователем с помощью графического редактора "Компас-Школьник" и затем передается в программу "Образ". На рис. 5 показаны три вида детали, подготовленные для передачи в систему "Образ".
Пособие для учителя состоит из трех частей: первые две касаются использования редактора "Компас-Школьник" при изучении курса "Черчение", третья посвящена важной стороне интеллектуального развития учащихся в процессе обучения - формированию пространственных представлений на основе системы "Образ".
При организации работы с ПМК необходимо решить, кто будет вести предлагаемый курс: учитель информатики или учитель черчения. В течение первого года целесообразна совместная подготовка учителя информатики и учителя черчения к проведению сначала кружковых, или факультативных занятий с ПМК. При предварительной работе следует познакомиться с поставляемыми на дискете графическими материалами, подготовить все необходимые для преподавания файлы чертежей и фрагментов.
До начала работы с ПМК учащиеся должны получить минимально необходимые сведения о работе с MS-DOS, надстройкой Norton Commander, текстовым редактором. Соответствующие обучающие программы переданы нами для свободного распространения на сервер Министерства образования http://www.informika.ru.
ПМК "Школьный САПР", естественно, не заменяет традиционных уроков черчения, на которых учащийся получает первоначальные навыки выполнения чертежей. Однако после того, как учащийся овладеет приемами выполнения чертежей, целесообразно часть учебного материала по черчению выполнять на компьютере. Опыт показывает, что при сложившейся системе преподавания школьник может получить первоначальные навыки работы на компьютере в первом полугодии 8-го класса на уроках, проводимых за счет часов, отводимых на факультативные занятия. Во втором полугодии часть занятий можно проводить как за счет часов, отводимых на курс "Черчение", так и за счет часов факультативных занятий.
ПМК состоит из 11 основных и двух дополнительных работ по курсу "Черчение". При работе с ПМК учащийся одновременно с изучением (или повторением) курса "Черчение" постепенно изучает базовые возможности учебной версии "Компас-Школьник". Изучение САПР осуществляется на школьном материале курса "Черчение" и в принятой в школе последовательности. Работы №№ 1-8 охватывают материал курса "Черчение" 8-го класса, работы №№ 9-11 - материал 9-го класса.
Работы № 1-4 посвящены изучению интерфейса (экранов программы) "Компас-Школьник" и основных приемов работы в экране чертежа и вида: вычерчиванию отрезков, окружностей, нанесению линейных и диаметральных размеров, построениям в "тонких" линиях. Эти работы могут быть выполнены в рамках курса "Информатика" в разделе "Деловые применения ЭВМ".
В пособии для учителя даны подробные указания к выполнению основных работ, приводится структура команд редактора, дополнительные задания. Кроме того, приводится описание двух дополнительных работ: "Рабочие чертежи деталей" и "Сборочный чертеж. Работа со слоями".
ПМК написан в соответствии с программой по черчению средней общеобразовательной школы, позволяя на современном уровне решать такие учебно-воспитательные задачи, как трудовая политехническая и профессиональная подготовка школьников к условиям современного производства, формирование основ компьютерной инженерной графики, умение составлять чертежно-графическую документацию с помощью САПР. В ПМК компьютер рассматривается как совершенный инструмент чертежника и конструктора, обеспечивающий современный уровень подготовки производственной графической и текстово-графической документации, ее хранение, передачу и размножение.
Работа с ПМК воспитывает у школьников самостоятельность, наблюдательность, аккуратность, точность в работе, являющиеся важнейшими элементами общей культуры труда. При этом некоторые средства ПМК (например, полуавтоматическая простановка размеров, восстановление наглядного изображения) выполняют роль самоконтроля при выполнении чертежа.
Новые возможности в преподавании черчения открываются при выполнении деталирования и сборочных чертежей, т. к. редактор предоставляет возможность хранения чертежей деталей, изделий в виде файлов фрагментов. Деталирование и выполнение сборочных чертежей осуществляется с помощью команд чтения фрагментов, сдвига и копирования. При этом требования программы по черчению к знаниям и умениям учащихся, естественно, сохраняются полностью.
Чрезвычайно интересно использование системы "Образ", которая позволяет на основе прямоугольной проекции получить наглядное изображение предмета, проанализировать его форму, что содействует развитию пространственных представлений учащихся. Эти вопросы рассматриваются в третьей книге пособия для учителя.
Повышенный интерес учащихся к работе с инженерной компьютерной графикой является залогом успешного проведения факультативных занятий по черчению. ПМК полностью обеспечивает проведение факультативных занятий по начертательной геометрии и машиностроительному черчению.
Работа с ПМК обеспечивает практическую реализацию межпредметных связей черчения и математики. Например, выполнение чертежа требует от учащегося следующих знаний: длина отрезка, обозначение длины отрезка, построение параллельных прямых, прямоугольник, квадрат, многоугольник и окружность, радиус окружности, измерение геометрических величин, угол, величина угла, измерение углов и т. д. Интерес для учащихся представляет анализ способов задания окружности, дуг, прямоугольников, многоугольников и т. д. В ПМК имеется возможность построения "лекальной кривой" - сплайна. Очень важно, что при работе с ПМК учащийся должен использовать знания координатного метода. Например, при вычерчивании отрезков прямых линий можно задать координаты начала и конца отрезка. Редактор дает возможность провести прямую под углом к оси абсцисс системы координат вида, провести параллельную прямую или набор параллельных линий с заданным пространственным шагом.
В третьей части пособия учителя рассматривается последовательность действий при восстановлении наглядного изображения по прямоугольным проекциям детали - стойки. Эта деталь предлагалась в качестве варианта практического задания при проведении итоговой аттестации по черчению выпускников 90-го класса общеобразовательных учреждений. Задание учащимся рекомендуется предъявлять в виде файла чертежа.
Рекомендации по использованию системы "Образ" основаны на анализе имеющейся методической литературы. Мы надеемся, что полностью раскрыть возможности "Образа" удастся при совместной работе учителей черчения, информатики, геометрии, преподавателей педагогических вузов, а также при экспериментальном и теоретическом исследовании проблемы развития пространственных представлений и понятий у учащихся с использованием ИТ.
В целом применение системы "Компас-Образ" отвечает требованию методики обучения черчению, которое состоит в том, чтобы составление проекций не было оторвано от чтения чертежа и чтобы оба вида учебной работы усваивались одновременно.
Наиболее успешно программа "Образ" может быть использована на первоначальном этапе обучения в упражнениях с опорой на наглядные изображения деталей и моделей.
"Образ" обеспечивает работу по сравнению различных способов проектирования. Изображение одного и того же предмета можно получить в диметрической, изометрической и ортогональной проекциях. Кроме того, система "Образ" позволяет "повернуть" изображение. При этом создаются условия наблюдения предмета с разных сторон, благодаря чему учащиеся изучают форму предмета более внимательно.
| Рис. 6. Наглядное изображение детали | |
 |
 |
| а) аксонометрическая проекция; | б) изометрическая проекция |
Система "Образ" позволяет выполнять ряд занимательных задач с несколькими ответами и задач, не имеющих на чертеже характерного вида предмета; кроме того, она может быть использована и в преподавании геометрии.
Полученные в системе "Компас-Образ" наглядные изображения могут использоваться как компьютерные слайды. Учитель может создавать в зависимости от целей урока собственные компьютерные слайд-фильмы.
Развитие современных САПР идет по пути реализации идеи проектирования "сверху вниз", т. е. начиная от ввода трехмерной модели проектируемого изделия и кончая выпуском конструкторско-технической документации, подготовкой управляющей информации для станков с ЧПУ и т. д.. Действительно, при разработке сложных изделий, например, ракетного двигателя, автомобиля, самолета и т. п., приходится прибегать к макетированию, т. к. в двумерном чертеже трудно учесть тонкости компоновки узлов и деталей. Современная компьютерная техника и программное обеспечение позволяют работать с виртуальным "макетом" – трехмерной моделью. С учетом тенденций развития САПР в состав ПМК включена отечественная система геометрического моделирования - СГМ трехмерных объектов – "Компас-К3".
СГМ эффективно работает на ПК стандартной конфигурации, начиная с IBM AT 286 с сопроцессором под управлением MS-DOS.
СГМ представляет собой интерактивный графический редактор с современным интерфейсом.
 |
| Рис. 7. Рабочее окно "Компас-К3" с проекциями корпуса амортизатора |
Система имеет средства геометрических построений и вычислений в трехмерном пространстве, инструментальные средства типа тело, поверхность или каркас. Она позволяет производить над объектами теоретико-множественные (булевы) операции: вычитание, объединение, пересечение и многое другое.
Работа с СГМ позволяет перевести на современный уровень работу конструктора, технолога и дизайнера при решении следующих задач (которые могут быть реализованы и в учебном процессе школы):
1. Проектирование и редактирование внешнего вида и формы изделий, объектов.
2. Решение компоновочных задач и задач размещения объектов в заданном пространстве; проектирование интерьеров.
3. Моделирование обработки твердого тела режущим инструментом (сверло, резец, фреза и т. д.).
4. Формирование полутоновых изображений проектируемых объектов и создание слайд-фильмов.
5. Экспорт/импорт графических данных для оформления чертежа в системе "Компас-Образ".
6. Экспорт/импорт трехмерных геометрических объектов в другие системы геометрического моделирования.
Проектирование в системе начинается с создания заготовки объекта. Заготовка выбирается из стандартного набора примитивов (параллелепипед, цилиндр, пирамида, конус, сфера и т. д.). СГМ содержит средства создания объектов, поверхность которых задается кинематически. При этом используются различные законы движения образующей: вращение вокруг заданной оси; сдвиг вдоль заданного вектора; вращение вокруг заданной оси с одновременным сдвигом вдоль этой же оси (винтовая поверхность); движение вдоль заданной направляющей линии. Образующая может быть построена средствами СГМ или импортирована из системы "Компас".
Если проектируемый объект имеет отверстия, выступы и т. п., то для придания ему окончательной формы применяются булевы операции, выполняемые над моделью заготовки и моделью формообразующего инструмента.
 |
| Рис. 8. Амортизатор |
 |
| Рис. 9. Детали амортизатора |
Образующие тел вращения, необходимые для построения трехмерных моделей деталей, были импортированы из чертежей, построенных в редакторе "Компас-Школьник". Для выреза одной четверти использовалась булева операция вычитания деталей амортизатора с параллелепипедом, имитирующим рабочее пространство инструмента – "фрезы".
На рис. 9 показаны детали амортизатора, полученные из узла операцией сдвига.
Коротко об авторе:
Александр Алексеевич Богуславский, Коломенский педагогический институт, профессор, заведующий лабораторией "Прикладная математика", заместитель декана технологического факультета