В подготовке специалистов технического профиля важную роль играет изучение начертательной геометрии. Методы начертательной геометрии являются теоретической базой для решения задач технического черчения. В технике чертежи являются основным средством выражения человеческих идей. Определяя форму и размеры предметов, они должны быть достаточно простыми и точными в графическом исполнении, помогать всесторонне исследовать изображенные предметы. Чтобы правильно выразить свои мысли с помощью чертежа, требуется знание теоретических основ построения изображений геометрических объектов, их многообразие и отношения между ними, что и составляет предмет начертательной геометрии. Начертательная геометрия входит в группу общетехнических дисциплин, составляющих основу инженерного образования. Она учит грамотно владеть выразительным техническим языком — языком чертежа, умению составлять и свободно читать чертежи, решать различные инженерно-технические задачи.
Кроме того, изучение начертательной геометрии способствует развитию у обучающихся пространственных представлений и пространственного воображения [1] — качеств, характеризующих высокий уровень инженерного мышления и необходимых для решения прикладных задач. В процессе изучения начертательной геометрии достигаются и другие цели, расширяется общенаучный кругозор обучающихся, развиваются навыки логического мышления, внимательность, самостоятельность, наблюдательность, аккуратность и другие качества, развитие которых является одной из задач обучения и воспитания в высшей технической школе.
Значительное развитие и распространение графическая грамотность получила при Петре I, когда в промышленном отношении Россия стала обгонять другие страны Европы. В созданных им технических и военных школах курс «Черчение и рисование» являлся одним из основных предметов. Петр I и сам был незаурядным графиком, оставившим много собственноручно вычерченных чертежей, свидетельствующих о новаторских приемах, применяемых при построении изображений. В 2010 году исполнилось 200 лет с того момента, когда в Петербургском институте корпуса инженеров путей сообщения была прочитана первая лекция по начертательной геометрии. С тех пор начертательная геометрия неизменно входила в число дисциплин, составляющих фундамент инженерной подготовки.
Для большинства обучающихся изучение начертательной геометрии оказывается достаточно сложным, так как является абсолютно новой для них дисциплиной. При изучении начертательной геометрии сначала рассматриваются не какие-то определенные объекты, а абстрактные точки, прямые и плоскости, что требует соответствующей перестройки мышления обучаемых. Чертеж в начертательной геометрии занимает ведущее положение, причем выполняется он не в аксонометрических, а в ортогональных проекциях и для уяснения требует определенных умственных усилий. Особую трудность для большинства обучающихся представляет мысленное представление пространственных фигур, а многие разделы дисциплины напрямую связаны с трехмерным изображениями. Так как начертательная геометрия изучает форму, размеры и взаимное расположение различных геометрических объектов в пространстве, то важным аспектом ее изучения является принцип наглядности.
Методика преподавания начертательной геометрии отрабатывалась десятилетиями, но как любая наука, она развивается, обогащается новыми формами и методами. Сфера образования представляет собой одну из наиболее инновационных отраслей. Наряду с традиционными методами преподавания, широко используются современные информационные технологии, которые позволяют внедрить в процесс преподавания новые способы и формы обучения. Использование в графической подготовке студентов современных технических средств призвано сделать процесс обучения более доступным, интересным, стимулирующим обучающихся к сознательному пониманию учебного материала.
На сегодняшний день компьютерная графика является наиболее наглядным и эффективным средством представления информации [2]. Визуализация учебного материала с помощью графических пакетов оказывает огромную помощь в восприятии и понимании изучаемого материала, позволяет обучающимся представить и понять сложный теоретический материал по начертательной геометрии, повысить уровень их графической подготовки [3]. Наибольшую эффективность дает использование трехмерной компьютерной графики [4, 5]. Показ электронных слайдов с трехмерными моделями способствует повышению у обучающихся осознания отображения различных пространственных объектов на плоскости, развитию их пространственного мышления [1].
Широко используется трехмерная графика при решении задач начертательной геометрии при проецировании пространственных геометрических объектов на плоскости проекций (рис. 1, 2).
Используя эффекты анимации, можно демонстрировать последовательность их проецирования, более наглядно рассмотреть взаимное расположение различных геометрических объектов в пространстве. Для лучшего восприятия материала можно показать одновременно и пространственную модель геометрического объекта, и его комплексный чертеж (рис. 1, 2). При изучении начертательной геометрии демонстрировать графический материал можно в большом объеме. Это позволяет сделать занятие более интересным, а материал более доступным и запоминающимся.
С помощью современных компьютерных технологий можно представить поэтапное решение задачи в динамике. Например, на рисунке 3 представлено пошаговое построение линии наибольшего наклона плоскости треугольника АВС к горизонтальной плоскости проекций.
Выполнение действий в решении тех или иных задач в динамике повышает легкость восприятия многоэтапных геометрических построений. Все вспомогательные построения, которые характеризуют ход решения задачи можно скрыть, что облегчит чтение чертежа, а также восстановить, чтобы проследить логику и проверить правильность выполненного изображения.
Простота и наглядность являются основной особенностью разрабатываемого методического иллюстративного материала. Не отступая от традиционной методики представления графической информации, осуществляется визуализация учебного материала с применением современных информационных технологий [6].
В современном процессе обучения актуальным также является разработка и использование электронных учебников и учебных пособий [7]. Электронный учебник по начертательной геометрии должен содержать большое количество иллюстраций, анимационных роликов, демонстрирующих геометрические объекты, а также объяснение материала с пошаговой иллюстрацией алгоритмов решения графических задач. Практически любое понятие в начертательной геометрии легче проиллюстрировать, чем описать словами.
Достоинствами электронных изданий, являются их мобильность, доступность связи с развитием компьютерных сетей, постоянное обновление информационного материала. Использование электронных учебников предоставляет возможность получения любой информации в различных доступных формах, наиболее подходящих в каждом конкретном случае и с учетом индивидуальных способностей обучающихся.
Современные компьютерные технологии позволяют внедрить в электронное издание интерактивные трехмерные модели (рис. 4) [8]. Пространственную модель можно рассмотреть с любой стороны, поворачивая и вращая ее, для выявления внутренних очертаний и полного выявления формы можно выполнить любое сечение 3D модели, задав положение секущей плоскости, все это вооружает обучающихся конкретными представлениями о геометрических формах.
Наглядность и интерактивность электронного издания позволяет значительно повысить заинтересованность обучающихся к изучаемой дисциплине, уровень ориентирования по теме и степень усвоения материала.