Methods of geometric modeling and computer graphics based on the WorldSkills Occupational Standards “Engineering CAD Software”

Цель международного некоммерческого движения WorldSkills – повышение престижа рабочих профессий и развитие навыков мастерства путем гармонизации лучших практик и профессиональных стандартов во всем мире посредством проведения конкурсов профессионального мастерства. На сегодняшний день это известное во всем мире крупнейшее соревнование, в котором участвуют молодые рабочие, студенты университетов и колледжей в качестве конкурсантов и специалисты предприятий, преподаватели учебных заведений и наставники – в качестве экспертов, оценивающих выполнение задания.

Россия присоединилась к движению WorldSkills в 2012 г. За последние годы проведено более 500 региональных, корпоративных, вузовских и национальных чемпионатов, в которых приняли участие более 100 тысяч участников. Общее число зрителей, конкурсантов и наставников ежегодно увеличивается.

С 2017г. в РФ проводятся чемпионаты для высших учебных заведений, целью которых является не только повышение престижа рабочих профессий и развитие навыков профессионального мастерства, но и повышение уровня высшего образования в соответствии с требованиями современных стандартов и мировых работодателей. Конкурсантами национальных финалов являются победители отборочных чемпионатов в вузе. Они демонстрируют уровень своей технической подготовки и индивидуальные качества, решая поставленные перед ними задачи. Их успех говорит не только о личных профессиональных качествах, но и об уровне подготовки в том вузе, который они представляют, и общем уровне качества высшего образования в стране.

Компетенция «Mechanical Engineering CAD» или «Инженерный дизайн CAD», как ее принято называть в РФ, входит в блок компетенций «Промышленное производство» в рамках WorldSkills International и по международному классификатору имеет №05. Согласно техническому описанию компетенции участник должен уметь организовать работу с использованием необходимых материалов и технических средств (современных средств автоматизированного проектирования), владеть навыками трехмерного моделирования, создавать тонированные изображения, анимацию, технические чертежи и производить замеры деталей с целью восстановления конструкции (реверсивный инжиниринг). Перевод названия компетенции на русский язык - «Инженерный дизайн CAD» не дает достоверного понимания, какими навыками и умениями обладают участники. Более точный перевод, по мнению автора статьи ^[1] – «Машиностроение» или «Машиностроительное проектирование» – был бы более информативен для работодателей, так как компетенция подразумевает работу с виртуальными прототипами изделий, использующихся в сфере машиностроения.

Конкурсное задание компетенции «Инженерный дизайн CAD» для чемпионатов, проводимых между вузами, формируется на основе заданий мировых чемпионатов, которые создаются с учетом мнений ведущих представителей экспертных сообществ. В экспертные сообщества входят преподаватели высших и средних профессиональных образовательных учреждений, представители промышленности и ведущих корпораций в области проектирования и производства изделий машиностроения - представители около 30 стран, таких как США, Китай, Япония, Корея, Германия и др.

Для всех чемпионатов WorldSkills International конкурсное задание актуализируется в связи с развитием технологий и появлением новых требований в производстве, соответственно перечень критериев оценки постоянно расширяется. В компетенции «Инженерный дизайн CAD» на международных чемпионатах используют САПР Autodesk Inventor, однако на уровне вузов также используется Компас 3D. Чемпионаты для высших учебных заведений имеют несколько уровней:

- отборочные вузовские;

- отборочные межвузовские чемпионаты;

- национальный финал.

На примере конкурсного задания третьего межвузовского отборочного чемпионата 2019г. рассмотрим критерии оценки и определим перечень дисциплин в системе высшего образования, которые обеспечивают освоение студентом требуемых компетенций.

Конкурсное задание состоит из трех модулей:

Модуль А - механическая сборка и чертежи для производства;

Модуль В - машиностроительное производство;

Модуль С - внесение изменений в конструкцию изделия.

Отборочные соревнования проводились в дистанционной форме в течение двух конкурсных дней. На выполнение задания каждого конкурсного дня участнику в соответствии с инфраструктурным листом было отведено 6 часов. В таблице 1 приведены критерии оценки каждого модуля конкурсного задания и перечень дисциплин в классической системе высшего образования, освоение которых необходимо для успешного решения поставленных задач. Отличие заданий и критериев оценивания третьего межвузовского отборочного чемпионата 2019г. и проведенных ранее чемпионатов между вузами заключается в добавлении инженерных расчетов и проверке навыков в области технической механики, в связи, с чем увеличился и перечень дисциплин, от уровня усвоения которых зависят результаты участников.

Таблица 1

Дисциплины, формирующие навыки для выполнения модулей конкурсного задания компетенции «Инженерный дизайн CAD» по стандартам WorldSkills

Количество критериев оценки значительное, однако, это необходимый минимум для любого современного специалиста, использующего САПР в своей профессиональной деятельности. Для соответствия любому из критериев очевидна значимость качественной геометро-графической подготовки, которую студенты традиционно получают на младших курсах вуза. Уровень освоения таких дисциплин как «Начертательная геометрия», «Инженерная графика» и «Компьютерная графика» оказывает существенное влияние на уровень владения САПР и качество дальнейшей подготовки специалиста.

Перед университетами поставлена задача по внедрению в образовательный процесс стандартов WorldSkills, что требует разработки новых методик преподавания дисциплин, создания новых учебно-методических комплексов и актуализации рабочих программ дисциплин на основе конкурсных заданий с мировых чемпионатов WorldSkills. В настоящее время студенты различных вузов РФ при изучении дисциплин графического цикла, таких как: «Начертательная геометрия», «Инженерная графика», «Компьютерная графика» выполняют задания в современных САПР ^[2-4], что позволяет студентам получить базовые навыки 3D моделирования и разработки чертежей в соответствии со стандартами ЕСКД. Однако, для достижения высоких результатов в компетенции «Инженерный дизайн CAD (САПР)» на национальных и мировых чемпионатах такого объёма недостаточно, а подготовка талантливых студентов отдельно от основной группы обучающихся не приведет к достижению главной цели внедрения стандартов Worldskills в систему высшего образования – качественной подготовке выпускников, востребованных на мировом уровне.

Авторами разработана методика геометро-графической подготовки студентов специальности Проектирование металлургических машин и комплексов, реализуемая в ФГБОУ ВО МГТУ им. Носова, которая ориентирована на соответствие стандартам WorldSkills компетенции «Инженерный дизайн CAD» и опирается на два основных принципа:

- активное использование современных систем автоматизированного проектирования в образовательном процессе;

- выполнение работ по начертательной геометрии и эскизированию деталей машиностроения от руки.

На дисциплину «Инженерная графика», входящую в базовую часть учебного плана подготовки по специальности 15.05.01 Проектирование технологических машин и комплексов специализация Проектирование металлургических машин и комплексов отведено 3 семестра с общим количеством академических часов 504 (14 зачетных единиц): аудиторная работа – 354, самостоятельная работа – 107,3. Объём работ по дисциплине распределен по семестрам.

В первом семестре проводятся лекции по традиционным темам начертательной геометрии (методы проецирования, точка, прямая плоскость, поверхности, развертки, пересечение поверхностей) ^[5], и основам проекционного черчения. Лекции проводятся в интерактивной форме с использованием средств визуализации материала. Практические задания по темам лекций выполняются студентами от руки, что позволяет обучающимся мысленно представить формы предметов, их взаимное положение в пространстве, определить размеры и геометрические свойства. Развитие пространственного мышления является залогом успешного изучения основ 3D моделирования и создания чертежей. Также на практических занятиях производится знакомство с системой Компас 3D в режиме параметризации 2D. Изучение зависимостей совпадение, перпендикулярность, касательность, выравнивание по горизонтали, вертикали и других, а также обязательная параметризация эскиза обеспечивают качественное проведение работ по 3D моделированию в дальнейшем. В завершении семестра студенты создают 3D модель литой детали по своему эскизу, выполненному от руки, и создают ассоциативный чертеж, оформленный по требованиям ЕСКД. Задание наглядно демонстрирует связь между реальным объектом, 3D моделью и чертежом. При изучении тем первого семестра используются учебно-методические разработки кафедры ^[6-9]. Вид аттестации первого семестра – экзамен.

Во втором семестре при изучении основ машиностроительного черчения студент на основании полученных знаний по начертательной геометрии и проекционному черчению развивает навыки по разработке 3D моделей и ассоциативных чертежей деталей и сборок. Особое внимание уделяется приобретению навыков измерения деталей и выполнения чертежей деталей и сборочных единиц в соответствии со стандартами ЕСКД с использованием стандартов и справочной литературы. Комплексная работа, выполняемая во втором семестре, включает основные этапы, связанные с работами по восстановлению изделий в производственных условиях (рис. 1).

Рис. 1 Этапы комплексной работы по разработке конструкторской документации узла вентиль: а) эскизы деталей; б) 3D модели деталей; в) 3D сборка узла; г) ассоциативный сборочный чертеж узла и спецификация

Создание 3D моделей деталей по разработанным эскизам и 3D сборки узла направлено на формирование у студентов навыков реверс инжиниринга, формирует понимание значимости правильного проведения замеров детали и позволяет наглядно определить алгоритм сборки-разборки и работы устройства. При выполнении работ второго семестра используются электронные учебно-методические материалы ^[10-15]. Кроме представленного комплексного задания выполняются работы по моделированию параметрических, листовых и деталей сложной формы по конкурсному заданию с чемпионатов WorldSkills компетенции «Инженерный дизайн CAD», а также формируются навыки создания анимации и фотореалистичных изображений. Вид аттестации второго семестра – зачет с оценкой. В конце первого года обучения студенты принимают участие в отборочном вузовском чемпионате по стандартам WorldSkills в компетенции «Инженерный дизайн CAD».

Третий семестр посвящен работе в системе Autodesk Inventor по конкурсным заданиям чемпионатов и является важным звеном в подготовке студентов. В статье ^[16] показан опыт успешного применения разработанного на базе конкурсного задания чемпионата мира учебно-методического комплекса для подготовки студентов в двух организациях среднего профессионального образования: в ГАПОУ МО «Подмосковный колледж «Энергия» и в ГБПОУ МО «Луховицкий авиационный техникум» в 2015–2018 гг., что подтверждает эффективность использования конкурсных заданий в учебном процессе. Кроме выполнения конкурсных заданий предусмотрена работа по чтению и деталированию сборочных чертежей по индивидуальным вариантам с созданием схемы сборки устройства (рис. 2), анимации работы и фотореалистичного изображения. Вид аттестации третьего семестра – зачет с оценкой.

Рис. 2 Схема сборки узла устройство натяжное

Обучающиеся по данной методике студенты ежегодно проходят отборочные соревнования на финал национального чемпионата по стандартам WorldSkills в компетенции «Инженерный дизайн CAD» ^[17], показывают уверенное владение САПР при обучении на старших курсах и востребованы по профилю специальности после завершения обучения.

При изучении дисциплин, входящих в обязательную часть подготовки специалистов технических направлений, таких как «Детали машин», «Теория механизмов и машин», «Техническая механика», «Метрология» обязательным условием успешного внедрения стандартов WorldSkills компетенции «Инженерный дизайн CAD» является выполнение курсовых работ и проектов в системах Компас 3D и Autodesk Inventor. Получая теоретические знания и навыки расчетов механических передач, механизмов и деталей машин, студент должен научиться проектировать их в современных САПР и использовать специальные расчетные модули и приложения ^[18]. Также в рамках данных дисциплин важно расширять навыки по созданию анимации работы механизмов и фотореалистичных изображений (рис. 3). Дальнейшее совершенствование навыков должно производиться при изучении спецдисциплин ^{[19, 20]} по направлениям подготовки и выполнении выпускной квалификационной работы.

Рис.3 Модель червячного редуктора

Использование методики обеспечивает качественную подготовку специалистов для дальнейшей профессиональной деятельности в соответствии со стандартами WorldSkills, но для достижения высоких результатов на чемпионатах одним из важных качеств является скорость выполнения заданий. Учитывая тот факт, что задания, согласно правилам чемпионатов, являются сложными даже для профессионалов, участник должен иметь значительный опыт выполнения различных проектов. Авторы считают, что для приобретения такого опыта стоит обратить внимание на проведение дополнительных занятий в кружках как вне учебной деятельности студентов. Пример успешного ведения занятий получен в Китае.

В работе ^[21] показана методика подготовки участников компетенции «Инженерный дизайн CAD» в Китае, представители которого показывают высочайший уровень на мировых чемпионатах. Стоит обратить особое внимание на организацию работы кружков в системе профессионального образования, куда начиная с первого курса обучения, отбираются лучшие студенты. Изучить устройство тренировочной базы и принципы отбора в кружок специальной геометро-графической подготовки, удалось автору статьи во время визита в Колледж промышленности и торговли в городе Гуанчжоу (Guangzhou Industrial and Trade Technical College, GZITTC) во время международной тренировки в рамках подготовки к чемпионату Европы Euroskills-2016». Устройство тренировочной базы подробно рассмотрено в статье ^[21].

В кружках с ребятами работают тренеры, в числе которых обязательно присутствуют преподаватели инженерной графики и основ компьютерного геометрического моделирования. Зачисление в кружок считается очень престижным и выделяет студентов из общего потока обучающихся – они входят в Class A и могут носить форму, выделяющую их среди остальных. Мотивация для попадания в кружок способствует качественному усвоению получаемых знаний, совершенствованию навыков работы в САПР и выявлению студентов, способных показать высокие результаты на чемпионатах различного уровня. Мотивацией для работы в кружке является реальная возможность попасть в национальную сборную КНР. Каждые три месяца проводится отбор между студентами, после которого часть их возвращается в обычные классы. К концу второго курса численность сокращается примерно вдвое. По этой причине среди учащихся весьма высока конкуренция за право обучения в кружке.

Успешный опыт Китая целесообразно использовать в системе высшего образования РФ. Внедрение системы кружков позволит отбирать одаренных студентов для участия в чемпионатах, создаст преемственность поколений и передачу опыта между студентами старших курсов – участников чемпионатов и первокурсниками. Кроме того, в кружки специальной геометро-графической подготовки стоит привлекать и школьников для участия в движении WorldSkills Junior, которое активно развивается в РФ и направлено на подготовку будущих профессионалов.

Выводы. Одной из актуальных задач подготовки студентов технических направлений с учетом стандарта компетенции WorldSkills International «Инженерный дизайн CAD» является разработка новых методик преподавания дисциплин графического цикла и создание новых учебно-методических комплексов на основе конкурсных заданий с мировых чемпионатов. Авторами разработана методика геометро-графической подготовки студентов специальности 15.05.01 Проектирование металлургических машин и комплексов, реализуемая в ФГБОУ ВО МГТУ им. Носова. Использование методики позволяет производить качественную подготовку специалистов для дальнейшей профессиональной деятельности и обеспечивает полное овладение навыками 3D моделирования и разработки конструкторской документации в современных САПР в соответствии со стандартами компетенции «Инженерный дизайн CAD» WorldSkills International.