Дисциплина «Инженерная и компьютерная графика» относится к базовым общеинженерным дисциплинам и изучается в большинстве технических вузов, в том числе военных, на первом курсе. При этом, каждый год преподаватели сталкиваются с немалой проблемой — практически полным отсутствием каких-либо начальных знаний по дисциплине, а так же с невысокой готовностью воспринимать учебный материал.
Во многом это определяется тем, что наличие учебного предмета «Черчение» для современной школы стало достаточно большой редкостью. Навыков, получаемых школьниками на уроках рисования и геометрии не всегда достаточно для формирования необходимого уровня пространственного мышления, которое, согласно исследованиям ряда психологов и педагогов (И.С. Якиманская, С.Л. Рубинштейн, Ж. Пиаже и др.) наиболее эффективно развивается в детском и школьном возрасте [4, 6, 7]. Вместе с тем, графические дисциплины технического характера основываются как раз на умении соотносить пространственные объекты с их изображением на плоскости, умении воспринимать форму предмета (читая чертежи) и воспроизводить её (выполняя чертежи).
Нужно отметить, что для подавляющего количества военных учебных заведений графические дисциплины не являются основными. Как правило, будущие военные специалисты учатся не проектировать или конструировать технику, а работать с уже существующими образцами. Конструкторская и техническая документация, прежде всего, помогает осознанно эксплуатировать вооружение и военную технику. Значит, крайне важно научить курсантов читать чертежи.
В процессе обучения и дальнейшей службы, перед военными инженерами стоят так же задачи научного, исследовательского, рационализаторского характера. Наиболее талантливые и склонные к техническому творчеству курсанты, а затем и офицеры могут заниматься и конструкторской деятельностью. Значит, нужно заложить основы выполнения чертежей, создать достаточную базу для последующего развития. Специфика вуза так же накладывает свой отпечаток, например, для радиотехнических специальностей важнейший элемент работы — это умение оформлять схемы. Эти умения и навыки в достаточной степени необходимо сформировать в процессе относительно небольшого курса обучения «Инженерной и компьютерной графики». Изучение дисциплины начинается с «алфавита» графической науки — начертательной геометрии.
Начертательная геометрия, даже в том очень небольшом объёме, в котором она входит в курс дисциплины, воспринимается подавляющим большинством курсантов с трудом. На первых же занятиях возникает проблема с пространственным соотношением реальных объектов (точек, прямых, плоскостей) и их проекций. Кроме того, не так просто обосновать необходимость изучения такого материала.
Если при изучении машиностроительного черчения, правил выполнения схем, взаимосвязи между дисциплинами в курсе обучения прослеживаются легко, практическое применение материала так же чётко прослеживается — достаточно показать чертежи в технических описаниях военной техники, продемонстрировать примеры схем — образцы расчётно-графических работ по радиотехническим дисциплинам, дипломных и курсовых проектов, те же технические описания. Найти такие же конкретные примеры применения задач начертательной геометрии гораздо более сложно, для курсантов они слишком абстрактны. Между тем, именно начертательная геометрия закладывает основу для осознанного понимания самого принципа ведения построений, способствует развитию логики и технического мышления.
Поэтому, организация процесса изучения раздела начертательной геометрии должна быть продумана особенно тщательно. В частности:
- необходимо отобрать содержание материала. Курс начертательной геометрии невелик, значит нужно выбрать только базовые темы. В свою очередь, внутри темы — выбрать задачи, в наибольшей степени направленные на развитие необходимых навыков, в частности, пространственного мышления. Решение конкретной задачи — не самоцель, имеет смысл выполнить меньше заданий (а значит, освоить меньший объём учебного материала), но при этом добиться более глубокого представления о положении объектов в пространстве и на плоскости;
- выстроить чёткую логическую цепочку, связывающую начертательную геометрию с более конкретным материалом, например, форму детали, показанной в техническом описании ракеты, можно представить как сочетание многогранников и тел вращения. Многогранник, к примеру, призма — это сочетание точек (вершин), прямых (рёбер) и плоскостей (граней). Значит, научившись строить проекции подобных объектов по отдельности и в определённом взаимном положении (позиционные задачи) можно научиться строить и более сложные формы технических деталей;
- максимально представить основные теоретические положения в виде типовых (базовых) задач. Очень ограниченное время не позволяет ввести в курс значительное количество лекций, поэтому практическая работа становится основной. Начиная изучение каждого блока темы преподавателю рационально давать краткие теоретические положения, обсуждать их с курсантами, а затем, максимально используя возможности средств наглядности, добиваться, чтобы курсанты графическую интерпретацию рассматриваемых объектов выполняли, там, где это возможно, сами. Например, изучая прямые общего и частного положения можно предложить курсантам самостоятельно выстроить проекции на чертеже после обсуждения пространственной модели. Здесь может быть использована и 3D модель, заранее подготовленная преподавателем и макет плоскостей проекции. При этом преподавателю важно внимательно следить за аудиторией, уметь своевременно замечать курсантов, имеющих значительные затруднения, и тех, кому нужна совсем небольшая подсказка. Работа, на данном этапе занятия ведётся практически индивидуально. В завершении работы правильное выполнение чертежа с подробным объяснением обязательно показывается преподавателем на доске для всех курсантов. Такой подход к изучению материала темы связан с тем, что закреплять и отрабатывать одно и то же понятие несколько раз получается не всегда;
- для всех задач и заданий где это возможно продумать алгоритмы работы, обсудить и сформулировать их с курсантами. При этом алгоритм должен быть не просто заучен. Курсантов нужно постараться научить видеть характерные черты объектов, отбирать их и анализировать;
- продумать и подготовить для каждого занятия систему дифференцированных заданий. Опыт показывает, что в каждой учебной группе курсантов (в среднем 25-30 человек) с первого же занятия выделяется 2-6 человек, легко воспринимающих информацию, хорошо и достаточно быстро выполняющих задания разной сложности, примерно такое же количество обучающихся, испытывающих сильные затруднения и практически не способных соотнести пространство и проекцию. Остальные курсанты могут решать задачи с небольшими подсказками, которые преподаватель даёт по мере возникновения затруднений, видят пространственные изображения на плоскости, но не всегда достаточно быстро и правильно ориентируются в изучаемом материале. Поэтому важно подобрать задачи, которые составят основу знаний (базовые) — их должны в обязательном порядке решить (и понять) все курсанты, чуть более сложные задачи, которые могут быть решены практически всеми курсантами (возможно, с небольшими подсказками. Для наиболее успевающих курсантов, решающих быстрее других, необходимо подготовить более интересные и сложные задачи. Их преподаватель может подробно обсудить только с теми курсантами, которые приступили к решению.
Современные технические средства обучения дают преподавателю немало дополнительных возможностей. Так, для более осознанного понимания курсантами учебного материала и развития пространственного мышления преподаватель может использовать следующие учебные материалы:
- анимированные (динамические) слайды, показывающие не только изображение на плоскости (проекции), но и процесс получения этого изображения;
- D модели изучаемых объектов, позволяющие увидеть, как объемное изображение (например, сечение геометрического тела плоскостью) так и его чертеж;
- мультимедийные возможности электронных учебников и учебных пособий (gif-анимацию, видео, 3D);
При использовании таких объектов необходимо чётко понимать — они не замена преподавателя, а инструмент, эффективность которого во многом определяется тем, насколько грамотно продумана методика его применения. Причём зачастую, необходимость их использования зависит от конкретной категории курсантов. Так, например, для курсантов-иностранцев очень подробно иллюстрируется любое понятие, даже общеупотребительное (например «изображение», «чертёж», «симметрия», «след», «разрез» и т.д.).
Динамические (анимированные) изображения можно разделить на несколько групп:
- демонстрация реального расположения рассматриваемых объектов в пространстве (рисунок 1);
- демонстрация принципа и последовательности решения задачи (рисунок 2);
- демонстрация объектов с запланированными ошибками (рисунок 3), а так же их исправлением (рисунок 4).
Наличие тех или иных материалов напрямую зависит от темы и содержания занятия и от индивидуальных особенностей групп обучающихся:
1. При работе с хорошо успевающими курсантами, преподавателю не обязательно показывать трехмерную модель объектов, заданных по условию задачи. Гораздо более рационально предложить курсантам вначале мысленно представить, «увидеть» условие задачи, и только при возникновении затруднений с пространственным представлением показать именно тот шаг решения, который вызвал затруднение.
Если группа справилась с задачей самостоятельно, без помощи преподавателя, то использование динамических слайдов возможно уже после выполнения задания в целях повторения и закрепления учебного материала.
2. Если в процессе выполнения задачи возникли трудности, целесообразно применять анимированные слайды, содержащие последовательность решения. В этом случае рекомендуется показывать не все решение до конца, а только тот шаг, который нужно уточнить или закрепить. Таким образом, преподаватель, обсудив сложный этап в решении, стимулирует курсантов к дальнейшему самостоятельному выполнению задачи.
3. В тех учебных группах, в которых затруднения возникают уже на этапе понимания условия задачи, необходимо предложить мысленно представить указанные объекты пространства, затем используя анимированный слайд показать модель заданных объектов. Если после обсуждения условия задачи курсанты не знают, как приступить к её решению то целесообразно при помощи динамических слайдов показать первый шаг, обсуждая при этом принцип получения изображения. Если первоначальной помощи было достаточно, и обучающие могут продолжить работу над задачей самостоятельно, необходимости в дальнейшем показе анимации нет. При необходимости к ней можно вернуться на любом этапе решения задачи, уточнив те моменты, которые вызвали затруднения.
При таком подходе к использованию анимированные изображения становится не только средством иллюстрации, но и элементом развивающего обучения.
Использование на занятии 3D моделей также помогает курсантам более осознанно подходить к решению задач. Такие модели могут быть разработаны на все практические занятия по теме, начиная с расположения точки в системе плоскостей проекций, взаимного расположения прямых и плоскостей в пространстве и заканчивая геометрическими телами и их сечениями. Достоинством 3D моделей является то, что они позволяют увидеть объект с разных точек зрения, продемонстрировать максимально наглядно процесс формообразования (рисунок 5).
Динамические презентации и модели преподаватель использует на занятиях. В процессе самостоятельной работы курсанты могут по тому же принципу воспользоваться мультимедийными приложениями электронного учебника.
Организуя изучение начертательной геометрии в военном вузе преподаватель, должен провести немалую работу, позволяющую сделать процесс обучения максимально доступным и эффективным, но в то же время интересным и привлекательным для курсантов. Только тогда поставленные цели могут быть достигнуты.