Системы сквозного проектирования. Технология сквозного проектирования

Сегодня трудно себе представить конструкторскую и технологическую подготовку производства без программных средств автоматизации. Повсеместное внедрение систем автоматизированного проектирования позволило по-новому взглянуть на процесс проектирования и изготовления изделий. Самые наукоемкие отрасли промышленности стали активными пользователями и сторонниками компьютерных технологий. Возможность моделирования будущего облика изделия, процесса изготовления оснастки и отработки технологии переросла в потребность. Среди отечественных и зарубежных разработок, которым под силу объединить различные направления проектирования и производства в единый, сквозной технологический процесс, одно из лидирующих мест занимает отечественная CAD/CAM/CAPP система ADEM, трудовой стаж которой в области автоматизации подготовки производства превышает 20 лет. Разработчики продолжают оправдывать надежды отечественных и зарубежных пользователей, развивая пакет по таким направлениям, как эргономичность, функциональность и адаптивность.

Сквозное проектирование и подготовка производства в учебном процессе.

При разработке системы Группа компаний ADEM ориентировалась не только на необходимость автоматизации конструкторских и технологических работ на предприятиях промышленности, но и на подготовку квалифицированного персонала, способного легко освоить современные средства проектирования. Поэтому ADEM распространяется и используется не только среди специалистов занимающихся реальным производством, но и среди ВУЗов страны, средних профессиональных учебных заведений, колледжей, школ. Простота освоения и эксплуатации, а также комплексный подход к вопросам автоматизации труда конструктора и технолога позволяет студентам быстро и наглядно представить процесс проектирования с использованием современных средств.

Но каким образом можно максимально приблизить условия обучения программному продукту к современным реалиям промышленного производства?

Один из методов - создание программно аппаратных комплексов, которые должны помимо автоматизированного рабочего места конструктора, технолога, технолога-программиста на ЧПУ включать в себя возможность непосредственного изготовления изделий спроектированных и подготовленных к производству в ADEM. Поэтому лучшим вариантом такой интеграции, для системного обучения будет наглядная связка Компьютер - CAD/CAM/CAPP система - учебный станок (универсальный или с ЧПУ).

Группа компаний ADEM, на протяжении нескольких лет работает с компаниями, специализирующимися в области производства и продажи малогабаритного оборудования. Разработаны специальные средства поддержки такого оборудования, которые с успехом применяют как при проектировании станков, так и при дальнейшей работе с этим оборудованием.

Одним из самых успешных примеров такой работы является многолетнее сотрудничество разработчиков ADEM и специалистов компании «Дидактические системы»

ОАО «ДиСис» («Дидактические системы») специализируется в основном в области разработки и производства учебного оборудования, методических материалов для системы профессионального образования и системы повышения квалификации специалистов, занятых в различных отраслях промышленности.

После изучения рынка систем проектирования и подготовки производства специалистами «ДиСис» было решено применять систему CAD/CAM ADEM, так как она поддерживает сквозной процесс с единой конструкторско-технологической моделью, что важно для успешного взаимодействия конструкторов и технологов, а также других специалистов предприятия. Использование методов сквозного проектирования позволяет быстро и легко создавать чертежи, документы, описывающие совокупность процессов, а также значительно сократить сроки и повысить качество технологической подготовки производства.

При выборе программы решающее влияние оказала необычайная легкость освоения системы, продуманная и полная справка, встроенная в систему. Это оказалось важно, прежде всего, потому, что ADEM планировалось применять не только для проектирования и производства собственного оборудования, но и для последующего обучения специалистов CAD/CAM/CAPP-технологиям, иллюстрации процесса сквозного проектирования. Ведь известно, что применяя CAD/CAM ADEM, конструктор и технолог работают бок о бок, и созданная конструктором объемная модель практически тут же переводится в чертежи и программы для ЧПУ, с учетом используемого на предприятии оборудования и инструмента.

Рекомендуемой реализацией сквозного процесса подобного уровня в учебных заведениях является поставка учебного класса в составе: малогабаритные настольные 3-х координатные фрезерные станки и отечественная интегрированная CAD/CAM система ADEM, в качестве системы конструкторско-технологической подготовки производства и системы, непосредственно управляющей данными станками. Предполагается работа каждых двух студентов на одном станке, таким образом, получаются сдвоенные места, состоящие из двух компьютеров и одного станка, помещение класса вмещает 6 таких сдвоенных мест и одно место преподавателя, также оснащенное компьютером с установленной на нем системой АДЕМ для своевременной верификации работ учащихся. При этом в комплект помимо «железа», CAD/CAM/CAPP системы входят и методические материалы по обучению студентов (преподавателей, специалистов) связке АРМ конструктора-технолога плюс станок с ЧПУ.

По многочисленным отзывам преподавателей учебных заведений, в которых такие проекты реализованы (Волгоградский государственный колледж управления и новых технологий, Колледж автоматизации и радиоэлектроники №27 (г.Москва), Чебоксарский профессиональный лицей и др.) такой класс больше похож на исследовательскую лабораторию, чем на привычное техническое помещение.

Именно такое решение демонстрировалось на совместном стенде компаний АДЕМ и «ДиСис» на последней выставке «Вертол-ЭКСПО» в г. Ростов-на-Дону. Экспозиция включала в себя упрощенный вариант описанного выше класса: 2 рабочих места конструктора-технолога и 2 станка (фрезерный и токарный).

Рис 1. Комплекс CAD/CAM технологий в обучении вызывал неподдельный интерес среди участников выставки

Пример практической реализации сквозного процесса с CAD/CAM/CAPP ADEM в учебном процессе

Мы неоднократно рассказывали о применении АДЕМ в школах, средних профессиональных училищах, ВУЗах. Примеры дипломных и курсовых работ постоянно пополняются, что показательно, так как среди учащихся сквозные технологии с последующим непосредственным изготовлением пользуются громадной популярностью и вызывают понятный интерес. Одним из последних наглядных примеров применения программно-аппаратного комплекса для учебных заведений на сегодняшний день является интересная работа двух студентов колледжа автоматизации и радиоэлектроники из города Москвы Рожковым Алексеем и Ивановым Алексеем под названием «Проектирование деталей со сложным контуром с использованием системы ADEM и изготовление на станках с программным управлением». Целью ее были: изучение технологии изготовления деталей со сложными контурами на примере шахматных фигур, получение управляющих программ для станков с ЧПУ, а также изготовление шахматных фигур, с использованием оборудования и программного обеспечения.

Геометрические модели разрабатывались непосредственно в модуле CAD системы ADEM. Для составления технологии обработки на станке с ЧПУ графическая модель не обязательно должна иметь вид полностью оформленного чертежа, так как для создания управляющей программы в модуле CAM системы ADEM нужен только геометрический контур детали. При этом не требуется строить полный геометрический контур, достаточно изобразить половину контура, расположенную выше оси симметрии детали.

Рис. 2. Эскиз детали для токарной обработки

После создания геометрической модели выполнялись дополнительные геометрические построений, с помощью которых были назначены контуры областей материала заготовки, удаляемые в процессе точения. Дополнительные геометрические построения в свою очередь определяются предполагаемым маршрутом обработки, то есть описанием того, какие части детали, как и в каком порядке, будут обрабатываться.

Рис. 3. Эскиз детали с заготовкой (область штриховки - объем снимаемого припуска)

Технология обработки создается в модуле CAM системы ADEM. Перед созданием технологической модели разрабатывается маршрут обработки фигуры. Возможности системы ADEM позволяют при создании технологии применять самые разнообразные последовательности действий в модуле CAM.

Рис. 4. Расчет траектории движения инструмента

По результатам расчета на рабочем поле модуля CAM отображается траектория перемещения инструмента и появляется диалоговое окно с сообщением о результатах расчета. При правильном составлении технологии в окне появляется сообщение об успешном выполнении расчетов. Результат расчетов - управляющая программы сразу же передается на соответствующее оборудование.

Рис. 5 Шахматная фигура ферзь на токарном станке.

В результате проделанной работы были изготовлены шахматные фигуры на станках с ЧПУ токарной (тела вращения - пешка, слон, ферзь, король) и фрезерной (конь, отдельные части ладьи) групп лаборатории.

Рис. 6. Шахматные фигуры, изготовленные при помощи связки ADEM - учебный станок с ЧПУ. Работа студентов колледжа автоматизации и радиоэлектроники.

Таким образом, на примере этой работы мы увидели практическую реализацию простой и эффективной идеи сочетания методических наработок ориентированных на комплексное использование связки CAD/CAM/CAPP система - станок с ЧПУ и формирования навыков работы с современным программным обеспечением и оборудованием у студентов колледжей и ВУЗов.

В статье использованы выдержки из работы Рожкова Алексея и Иванова Алексея (Колледжа автоматизации и радиоэлектроники)

1

Для выявления сущности профессиональной деятельности инженера-строителя в статье рассмотрены понятия «проектирование» и «проектировочная» деятельность. Для подготовки будущих специалистов строительного профиля к проектировочной деятельности в работе рассмотрен метод сквозного проектирования объектов профессиональной деятельности. В основе данного метода положен принцип фундаментальности и профессиональной направленности, осуществляемый через интеграцию естественнонаучных и специальных дисциплин. Показано также, что теоретическая модель метода сквозного проектирования объектов профессиональной деятельности представляет собой систему действий, позволяющих преподавателю более успешно организовать процесс обучения физике. Выделены основные этапы метода сквозного проектирования объектов профессиональной деятельности, на примере изучения курса общей физики.

проектирование

проектировочная деятельность

сквозное проектирование

профессионально направленное обучение.

1. Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Направление дипломированного специалиста 653500 «Строительство» [Текст]: ГОСТ ВПО 653500 - 2000. - Введ.-2000 - 02 - 03 - М. - 2000. - 60 с.

2. Джонс, Дж. К. Методы проектирования [Текст] / Дж. К. Джонс. - 2-е изд., доп. - М.: Мир, 1986. - 326 с, ил. - Загл. 1-го изд: Инженерное и художественное проектирование.

3. Сазонов, В. Б. К вопросу о построении понятия проектирования [Текст] / В. Б. Сазонов // Труды ВНИИТЭ. Техническая эстетика. Вып. 8. (гл.13).

4. Словарь русского языка [Текст]. - М.: Русский язык, 1987. - Т. 3. - 752 с.

5. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки 270800 Строительство (квалификация (степень) «бакалавр») [Текст]: ФГОСТ 270800 - 2010. - Утв.2010 - 18 - 01. - М. - 2010. - 32 с.

6. Философский словарь. Энциклопедия философских терминов онлайн http://www.onlinedics.ru/slovar/fil/t/proektirovanie.html Проектирование (дата обращения: 16.03.2012).

7. Большой толковый социологический словарь терминов онлайн http://www.onlinedics.ru/slovar/soc/t/proektirovanie.html (дата обращения: 16.03.2012).

8. Курбатов В. И., Курбатов О. В. Социальной проектирование: Учебное пособие [Электронный ресурс]. - Ростов н/Д: Феникс, 2001. - 416 с. - С.6-68. - Режим доступа: http://socpedagogika.narod.ru/Proektirovanie.html (дата обращения: 16.03.2012).

В связи с переходом на двухуровневую подготовку в системе высшего профессионального образования, с одной стороны, и повышение профессиональных требований к будущему специалисту, обусловленное социальным заказом, с другой стороны, приводит к поиску новых более эффективных методов подготовки инженеров-строителей. Анализ требований, сформулированных в ФГОС ВПО второго поколения в виде квалификационных признаков и третьего поколения - в виде перечня компетенций, позволяет констатировать тот факт, что одним из основных видов профессиональной деятельности специалистов в области строительства (инженеров, бакалавров, магистров), является проектировочная деятельность. Так, например, во ФГОС ВПО второго поколения для направления 653500 - «Строительство» говорилось, что будущий инженер-строитель должен «участвовать во внедрении разработанных решений и проектов, в возведении, монтаже, наладке, испытаниях и сдаче в эксплуатацию запроектированных изделий, объектов, инженерных систем и сооружений, проводить инженерные изыскания и обследования, необходимые для проектных работ по производству материалов и изделий, по строительству, реконструкции и ремонту объектов и инженерных систем и сооружений для подготовки инженеров-строителей...» .

Согласно новым образовательным стандартам третьего поколения , содержащим двухступенчатую подготовку, выпускник по направлению подготовки «Строительство» (бакалавр) должен обладать значимыми профессиональными компетенциями, такими, как: владение методами проведения инженерных изысканий, технологией проектирования деталей и конструкций в соответствии с техническим заданием с использованием стандартных прикладных, расчетных и графических программных макетов; проведение предварительного технико-экономического обоснования проектных расчетов, разработка проектной и рабочей технической документации, оформление законченных проектно-конструкторских работ, контролирование соответствия разрабатываемых проектов и технической документации заданию, стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам; умение применять основные законы естественнонаучных дисциплин, а также методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования в проектно-профессиональной деятельности.

Таким образом, изменившиеся квалификационные требования к подготовке инженера-строителя, по ФГОС ВПО третьего поколения, и недостаточная разработанность методов согласования естественнонаучных, общепрофессиональных дисциплин и дисциплин специализации в вопросах обучения студентов проектировочной деятельности определяют актуальность нашего исследования. Целью исследования является разработка метода по формированию основ проектировочной деятельности на занятиях по физике, основанного на интеграции общеобразовательных и специальных дисциплин.

Для поиска новых подходов к обучению будущих инженеров-строителей профессиональной (проектировочной) деятельности на занятиях по физике уточним понятие «проектирование», «проектная» и «проектировочная» деятельность.

Проектирование как вид человеческой деятельности не является новым, так как уже с XVIII века стали формироваться основные виды инженерной деятельности: изобретательство, конструирование и элементы проектирования. Первоначально понятие «проектирование» связывали непосредственно с деятельностью чертежников и необходимостью графического воспроизведения творческих идей. По мере развития производства понятие «проектирование» все более усложнялось. Теперь помимо выполнения чертежных работ, проектирование включало в себя организацию проектной деятельности, выполнение расчетов, подбор наиболее оптимальных материалов для будущих конструкций или инженерных систем. Как самостоятельная сфера деятельности проектирование становится позже, когда происходит разделение обязанностей архитекторов и строителей - архитекторы отвечают за разработку внешнего облика конструкции, расчет основных технических параметров и выполнение чертежей, а строители занимаются только материализацией данных инженерных идей.

В настоящее время идеи проектирования распространились на различные виды деятельности: дизайнерское проектирование (синтез технического и художественного проектирования), педагогическое проектирование, социальное проектирование и т.п. Проектирование стало стилевой формой современного мышления, одним из важнейших типологических признаков современной культуры едва ли не во всех основных ее аспектах, связанных с творческой деятельностью человека .

Центральным понятием и конечным результатом проектирования является проект, предметным содержанием которого является: 1) разработанный план создания чего-либо, включающий в себя описание, чертежи, макеты и т.п.; 2) предварительный текст какого-либо документа, представленный на обсуждение, утверждение; 3) замысел, план действий.

Для выявления сущности инженерной проектировочной деятельности следует также детализировать интерпретацию понятия «проектирование»:

1. процесс создания прототипа, прообраза предполагаемого или возможного объекта, состояния, специфическая деятельность, результатом которой является научно-теоретическое и практически обоснованное определение вариантов прогнозируемого и планового развития новых процессов и явлений ;
2. прогнозирование осуществления чего-либо, предположение, предпосылка что-либо сделать, устраивать; процесс построения ;
3. деятельность по созданию проектов. Проектирование характеризуется двумя моментами: идеальным характером действия и его нацеленностью на создание чего-либо в будущем ;
4. одна из форм опережающего отражения действительности, процесс создания прообраза (прототипа) предполагаемого объекта, явления или процесса посредством специфических методов.

Проектирование является конкретной формой проявления прогностической функции управления, когда создается возможный образ будущей материальной или идеальной реальности. Целью проектирования является такое преобразование действительности, когда создаются объекты, явления или процессы, которые отвечали бы желаемым свойствам ;

5) процесс, который кладет начало изменениям в искусственной среде .

Видно, что значение понятия «проектирование» может колебаться в широком диапазоне, но неотъемлемой частью проектной деятельности будущего инженера является творческая деятельность, направленная на создание конечного результата в виде идеализированного объекта (системы), воплощенного в действительность. Создание проекта требует от студента не только знание основ проектирования, но и умение подбирать наиболее оптимальные варианты решения той или иной проблемы, возникающие в процессе проектных работ. В этом плане творческая деятельность тесно переплетена с научной и исследовательской деятельностью. Именно умелое сочетание этих видов деятельности помогает студенту подготовить проект на высоком профессиональном уровне. Обобщив все рассмотренные трактовки понятия «проектирование», можно сделать заключение, что проектирование - это один из видов инженерной деятельности, под которым понимается целенаправленная поэтапная система действий творческой направленности по созданию предполагаемого объекта (дипломного и курсового проектирования, инженерной конструкции, системы или сооружения), путем выделения и преобразования взаимосвязанных элементов прогнозируемого объекта.

Подготовка студента к инженерной проектной деятельности связана с изучением общепрофессиональных и специальных дисциплин, направленных на формирование профессиональных знаний, умений и навыков. Однако, несмотря на всю значимость профилирующих дисциплин в выполнении дипломного проекта, для наиболее успешного овладения методами проектирования необходимо внедрять элементы проектировочной деятельности в учебный процесс уже на младших курсах при изучении общеобразовательных дисциплин.

С понятием «проектирование» тесно связаны такие понятия, как «проектировочная» и «проектная» деятельности. В научно-педагогической литературе понятия «проектная» и «проектировочная» очень часто рассматриваются как близкие по значению, поскольку каждый вид деятельности направлен на получение идеального конечного результата. Результатом проектной деятельности является целостный образ здания, системы или сооружения. Умения по созданию такого образа формируются у студентов, в основном, при изучении специальных дисциплин. В нашем исследовании мы будем рассматривать проектировочную деятельность, которая заключается в детализации общего замысла проекта. Проектировочная деятельность представляет систему действий по решению множества малых задач (элементов) самого различного содержания, каждая из которых обусловлена множеством условий, ограничений и критериев. Каждая из таких задач представляет собой интегрированное задание, связанное с реальным объектом проектирования.

Таким образом, сказанное выше позволяет сделать вывод о том, что проектирование, и как следствие - проектировочная деятельность, являются одним из видов профессиональной деятельности специалиста направления «Строительство». Именно поэтому необходимо с первых же дней пребывания студентов в вузе создавать им условия для овладения элементами проектировочной деятельности. Мы полагаем, что необходимые и достаточные условия для этого имеются, так как согласно принципу единства фундаментальной и профессиональной составляющей подготовки специалистов физические знания составляют научную (теоретическую) базу практически всех общетехнических и специальных дисциплин для студентов инженерно-строительного профиля. Обучение данному виду деятельности следует организовать поэтапно, при этом связь между этапами (модулями, шагами) должно обеспечиваться межпредметной связью и пронизывать весь процесс обучения дисциплине в вузе. Подобный метод создания объекта широко распространен при создании (проектировании) САПР и объектов строительства, архитектуры и.т.п. и носит название «технология сквозного проектирования». Технология сквозного проектирования представляет собой передачу результатов одного этапа проектирования на следующий этап в единой проектной среде, при этом изменения, вносимые на любом этапе, должны отображаться во всех частях проекта. Данная технология позволяет связать воедино все этапы построения объекта от постановки задания до подготовки технической документации. Технология сквозного проектирования, на наш взгляд, может служить теоретической основой для организации обучения физике будущих инженеров-строителей.

В Астраханском инженерно-строительном институте процесс подготовки инженера строится на методе сквозного проектирования объектов профессиональной деятельности.

Метод сквозного проектирования объектов профессиональной деятельности инженера-строителя - это многоуровневая система действий по выполнению курсового/дипломного проекта, основанная на интеграции физики и профилирующих дисциплин, включающая выявление междисциплинарных связей и способов их реализации на каждом этапе обучения в строительном вузе.

Выделим основные этапы метода сквозного проектирования объектов профессиональной деятельности инженера-строителя:

1. Разработка темы дипломного (курсового) проекта (тематику будущей проектной работы студенты выбирают совместно с преподавателем на первом курсе).
2. Выбор необходимых условий для реализации проектируемого объекта (климатические факторы района застройки, сейсмичность данного района, подбор соответствующего материала и т.д.).
3. разработка модели проектируемого объекта: на занятиях по физике студентов знакомят с приближенными методами расчета, например, динамических характеристик проектного здания или сооружения, используя при этом физические модели.
4. Подготовка к распределенной коллективной разработке. На данном этапе конечный проект разбивается на небольшие «сквозные задания» (подпроекты), каждый из которых содержит объект упрощенной модели в начальный момент и для которого необходимо произвести дальнейшую детализацию.
5. Создание понятийного аппарата. При выполнении каждого отдельного «сквозного задания» студент при изучении каждой дисциплины формирует необходимые знания. На данном этапе студент осмысленно и самостоятельно учится пользоваться научной литературой, при этом он рассматривает этот процесс не только как способность нахождения необходимых справочных данных, но и как умение устранять определенную неполноту условий при решении проектной задачи.
6. детализация отдельных блоков проектируемого объекта до синтезируемых компонентов.
7. формирование объекта проектировочной деятельности. На данном этапе происходит окончательная разработка дипломного проекта и его защита.

Теоретическая модель метода сквозного проектирования объектов профессиональной деятельности представляет собой систему действий, позволяющих преподавателю организовать процесс обучения физике таким образом, чтобы обучить студента методам решения профессиональных задач, опираясь на физические знания:

1. Установление междисциплинарных связей физики с общетехническими и специальными дисциплинами, которые позволят установить «вкрапления» физики в проектирование строительных и технических объектов.
2. Разработка творческих, профессионально значимых заданий.

Для реализации данного этапа нами были сформулированы основные требования, которым должны соответствовать профессионально значимые задания: а) задания должны показывать возможности применения изучаемого физического материала в практической деятельности будущего инженера; б) задания должны быть связаны с реальными объектами профессиональной деятельности, т.е. при решении этих задач студенты имеют дело не с вымышленными, абстрактными объектами, а с конкретными объектами, встречающимися в профессиональной деятельности; в) задания должны быть во взаимосвязи с общетехническими и специальными дисциплинами; г) задания должны развивать познавательно-творческую и изобретательскую деятельность студентов.

3. Организация профессионально направленного обучения физике по методу сквозного проектирования объектов профессиональной деятельности:

I этап - мотивационный: необходим для того, чтобы каждый студент ощутил потребность в физике для решения будущих профессионально значимых задач. При изучении нового материала на лекционных занятиях преподаватель формулирует проблему-ситуацию, встречающуюся в профессиональной деятельности, и совместно со студентами выделяют физическую сущность, и намечает пути решения данной проблемы, опираясь на физические теории.

II этап - подготовительный: обучение на данном этапе осуществляется на практических и лабораторных занятиях. При этом темы лабораторных работ также включают элементы профессионально направленного обучения. На этом этапе студент накапливает умения в реализации метода сквозного проектирования объектов профессиональной деятельности в конкретном виде в различных темах вузовского курса физики.

III этап - методологический (основной): происходит выделение, усвоение и обобщение метода. На этом этапе студент, уже понимая необходимость и значимость физических знаний для будущей профессиональной деятельности, организует свою деятельность во всех многообразных формах поисковой, проектной, мыслительной деятельности. Основой здесь становится усвоение, как знаний, так и способов самого усвоения, развитие познавательных сил и творческого потенциала обучающегося. Существенная черта метода - решительное выдвижение на первый план факта, когда изучение физики становится востребованным студентами для решения практических задач по специальности.

IV этап - этап самостоятельной деятельности по широкому использованию данного метода в курсовом и дипломном проектировании и их защита.

Внедрение данного метода в учебный процесс, организованного с 2008 года, показал, что студенты справляются более успешно с курсовыми и дипломными проектами и более полно осваивают основные приемы проектирования, но и при этом используют фундаментальные физические законы и явления при выполнении данной деятельности.

Таким образом, метод сквозного проектирования объектов профессиональной деятельности позволяет усилить акцент на актуализацию и стимулирование студента к его профессиональному развитию, создав ему специальные условия для саморазвития и повышения творческого потенциала.

Рецензенты:

• Крутова Ирина Александровна, д.п.н., профессор кафедры теоретической физики и методики преподавания физики Астраханского государственного университета, г. Астрахань.
• Мирзабекова Ольга Викторовна, д.п.н., доцент, профессор кафедры физики ФГБОУ ВПО Астраханского государственного технического университета, г. Астрахань

Библиографическая ссылка

Соболева В.В. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ИНЖЕНЕРА-СТРОИТЕЛЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ КУРСА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 3.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=6227 (дата обращения: 04.01.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания» 1

Одной из основных задач программы правительства РФ «Развитие образования на 2013-2020 годы» является модернизация образовательных стандартов и методик профессиональной подготовки специалистов. Развитие педагогических технологий должны быть направлены на интеграцию дисциплин и результативность каждой ступени образовательного процесса. Решение поставленной задачи возможно при использовании технологии сквозного проектирования, т.к. одним из условий её реализации является интеграция дисциплин. Поставленные задачи указывает на то, что научные и методические разработки по сквозному проектированию являются актуальными. Особенно это касается методики и теории междисциплинарной интеграции в проектировании непрерывного образовательного процесса средней и высшей школы.

Метод сквозного проектирования основан на принципе фундаментальности и профессиональной направленности, путём интеграции естественных и специальных дисциплин - система действий, которая даёт возможность преподавателю формировать методику обучения.

Можно с уверенностью утверждать, что освоение курса общей физики будущими инженерами является тем фундаментом, который позволит им не только успешно освоить общетехнические и специальные дисциплины, но и овладеть одним из основных видов деятельности для специалиста данного направления подготовки - проектной деятельностью.

Как показывает анализ научно?педагогической литературы, ряд авторов выделяет такие этапы проектирования, как «графическое моделирование объекта проектирования», «составление принципиальных и расчетных схем», «разработка конструктивных решений изделия и (или) его составных частей». Сравнивая основные этапы решения задач по физике, можно утверждать, что действия по составлению графической и физической модели ситуации, выявление изменений, происходящих с объектом исследования, выбор и обоснование законов и теорий для ее описания, подобны этапам проектировочной деятельности.

Организация процесса подготовки инженера по методу сквозного проектирования объектов профессиональной деятельности позволяет значительно повысить заинтересованность студентов при обучении физике, обусловленную четким пониманием необходимости и значимости физических знаний в будущей профессиональной деятельности.

Проведенные нами ранее исследования доказали актуальность использования метода проекта при подготовке конкурентоспособных специалистов. Сформирована, опробована и внедрена в учебный процесс организационно-педагогическая модель профессионально значимых проектов для младших курсов по направлению бакалавриат. Показано, что для успешного использования этого метода является ориентация учебного процесса на формирование навыков проектной деятельности и активное сотрудничество с преподавателями специальных курсов дисциплин, то есть установление междисциплинарных связей физики с общетехническими и специальными дисциплинами.

Разработаны, опробованы и внедрены в систему подготовки профессионально значимые интерактивные проекты общеобразовательных курсов физики для организации сквозного проектирования с целью ознакомления с фундаментальными исследованиями, с новейшими инновационными разработками и технологиями, установление междисциплинарных связей физики с общетехническими и специальными дисциплинами.

На строительном факультете ИРНИТУ многие специальности связаны с водными технологиями. С первых курсов мы проводим обучение студентов младших курсов проектной деятельности. Темы проектов первокурсников мы связываем с технологиями водоснабжения и водоотведения.

Внедрение этого метода в учебный процесс позволит студентам успешно справляться с курсовыми и дипломными проектами, стимулирует процесс профессионального развития, саморазвития и творческой активности. Темы по проектной деятельности первого этапа согласуются с выпускающими кафедрами, это позволяет устанавливать междисциплинарные связи физики с общетехническими и специальными дисциплинами, тем самым, обеспечивается профессионально направленное обучение по методу сквозного проектирования.

Как правило, заключительные темы по проекту связаны с реально существующими объектами, вследствие чего знания, приобретенные при изучении курса физики, будут использоваться в дальнейшей профессиональной деятельности.

Таким образом, были разработаны профессионально-значимые проекты общеобразовательных курсов университета и включены в систему подготовки для организации сквозного проектирования школа - вуз с целью ознакомления с фундаментальными исследованиями, новейшими инновационными разработками и технологиями, установлением междисциплинарных связей физики с общетехническими и специальными дисциплинами.

Целесообразно начинать сквозное проектирование среди учащихся школ с целью привлечения талантливых выпускников для поступления в вуз, где они смогут продолжить свою проектную деятельность при изучении специальных дисциплин.

Авторы разработок по проектированию предлагают начинать его с первого курса обучения. Актуально это будет второй семестр первого года обучения, когда студенты уже ознакомятся с дисциплинами, предметами, преподавателями и самой методикой проведения занятий в высшей школе и могут осознать роль сквозного проектирования в процессе их обучения.

В ИРНИТУ физика начинается с первого семестра. Естественно, организовать сквозное проектирование с первого месяца обучения сложно, мало кто определится со своей будущей специализацией, т.к. по специальности их распределяют на 2-м курсе обучения. Вот тогда уже можно говорить о курсовом и дипломном проектировании и вводить сквозное проектирование. Мы считаем, начинать сквозное проектирование надо с проектной деятельности в прикладных исследованиях физических законов или по другим темам, более близким к техническим специальностям, что мы и делаем в течении уже десяти лет.

Если в первые месяцы обучения студентов вуза организовать на развитие проектной деятельности по прикладной физике, то задачи сквозного проектирования будет более успешно решаться.

Начата работа по сквозному проектированию со студентами института «Архитектуры и строительства» по прикладной физике.

Нами разработан, опробован и организован первый этап (мотивационный) профессионально направленного обучения физике по методу сквозного проектирования объектов профессиональной деятельности, в результате которого:

• создаются условия для саморазвития творческой активности студентов;
• формируются профессиональные компетенции;
• выстраиваются взаимоотношения между преподавателями смежных дисциплин;
• возрастает потребность к профессиональному развитию;
• осмысливается необходимость в изучении физики для решения будущих профессиональных задач;
• студент осваивает этапы проектной деятельности.

Библиографическая ссылка

Шишелова Т.И., Коновалов Н.П., Баженова Т.К., Коновалов П.Н., Павлова Т.О. ОРГАНИЗАЦИЯ СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА КАФЕДРЕ ФИЗИКИ ИРНИТУ // Международный журнал экспериментального образования. – 2016. – № 12-1. – С. 87-88;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=10802 (дата обращения: 04.01.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Прошли уже те времена, когда для разработки топологии печатной платы конструктор вооружался листом бумаги, остро заточенным карандашом, резинкой и включал свое пространственное воображение. Дело это было сложным, утомительным и малопроизводительным. Не случайно, практически с момента создания, делались попытки приспособления компьютеров для решения конструкторских задач. В результате было создано множество Систем Автоматизированного Проектирования (САПР) или CAD (англ. Computer-Aided Design), ориентированных на решение различных задач проектирования и конструирования. САПР, используемые для автоматизации проектирования электроники, зачастую сокращенно обозначают аббревиатурой EDA (EDA - Electronics Design Automation). Обычно система сквозного проектирования EDA включает в себя редактор электрических схем и редактор печатных плат. В последнее время подобные системы все чаще включают средства моделирования электрических схем, позволяющие исследовать работу электронного устройства еще до того, как оно будет воплощено в «железе».

Что касается электроники, то еще в 80-х годах прошлого столетия, тогда еще советским конструкторам, стала доступна прекрасная коммерческая САПР PCAD. Данная САПР была настолько удачной, что на долгие годы стала своеобразным отраслевым стандартом. Несмотря на появление новых поколений САПР и операционных систем, «досовский» PCAD версий 4 … 8.7 до сих пор активно используется во многих КБ. Это объясняется не только положительными качествами «досовского» PCAD-а, но и тем, что под него за долгие годы использования, был наработан большой объем документации, библиотек, а также оптимизирован процесс конструирования и производства. Для не обремененных подобным багажом конструкторов на рынке предлагается огромное количество САПР, список которых постоянно пополняется. Современные САПР еще в большей степени автоматизируют труд конструктора, позволяют совместную работу многих конструкторов, что гарантирует более качественные результаты за более короткий промежуток времени.

Благодаря все большему проникновению компьютеров в непрофессиональные сферы, а также использованию их для обучения, последние стали доступны большому количеству непрофессиональных конструкторов и студентов. Под непрофессиональными конструкторами, в данном контексте, подразумеваются те, кто только эпизодически занимаются конструированием в связи со своей профессиональной деятельностью или хобби.

Обычно непрофессионалы пытаются использовать те же самые САПР, что и профессионалы. Но, не имея особого финансового дохода от своей деятельности, они не могут позволить себе честно купить дорогущую профессиональную САПР (обычно, стоимость профессиональных и поэтому коммерческих САПР редко опускается ниже 2000$ USA) и используют различные взломанные версии САПР, которые находятся в интернете. Понятно, что в этом случае приходиться мириться с неустойчивой работой такого программного обеспечения, отсутствием технической поддержки, а также возможностью заражения компьютера вирусами. Кроме всего перечисленного, такое использование является попросту незаконным!

Не замыкаясь на моральном аспекте бесплатного использования коммерческого программного обеспечения, обратим внимание непрофессионалов на тот факт, что в том же Интернете можно найти множество абсолютно бесплатных САПР, которым вполне под силу решить все проблемы непрофессионального разработчика. Немаловажно то, что бесплатные САПР обычно позволяют более быстрое освоение и меньший уровень профессиональных знаний пользователя. Например, объем документации на основные коммерческие САПР достигает тысяч страниц, в то время как полное описание многих бесплатных САПР может вполне уместиться в нескольких журнальных публикациях. Если Вы не занимаетесь конструированием постоянно, то лучше при случае пролистать несколько страниц, чем каждый раз штудировать толстенное руководство!

Многое из вышесказанного касается и профессиональных разработчиков небольших развивающихся фирм, несущих на этапе становления большие издержки и поэтому также не имеющих возможности приобретения коммерческого программного обеспечения.

Сделаем небольшой обзор бесплатных программ, предназначенных для конструирования печатных плат. В Интернете присутствует, в основном, два типа подобных программ. С одной стороны, подобные программы создают различные компании, связанные с производством печатных плат или продажей комплектующих, а с другой, - разработкой подобных программ заняты любители или коллективы любителей.

К разряду первых относится достаточно известные в любительской среде программы Express PCB [http://www.expresspcb.com/ ], Pad2Pad [http://www.pad2pad.com/ ] и PCB Artist [http://www.4pcb.com/free-pcb-layout-software/index.html ]. Как и многие программы подобного класса, Express PCB, Pad2Pad и PCB Artist созданы для продвижения услуг своих компаний и поэтому имеют разумные ограничения, заключающиеся в том, что на выходе мы получаем проект в некотором закрытом формате, который мы можем отправить только конкретному производителю печатных плат. И это не есть хорошо. Правда, отечественные любители редко в частном порядке заказывают на стороне печатные платы. Обычно их рисуют по старинке от руки или используют лазерно-утюжную технологию. А так как Express PCB, Pad2Pad и PCB Artist способны выводить результаты на печать, то порой этого уже достаточно для кустарного изготовления платы.

Немного в стороне от вышеперечисленных программ стоит, появившаяся сравнительно недавно, EDA DesignSpark PCB. Программный пакет DesignSpark PCB [http://www.designspark.com/ ] появился в июле 2010 года и был разработан компанией RS Components, штаб-квартира которой расположена в городе Корби (Великобритания). Данный программный пакет является абсолютно бесплатным. Для активизации программы требуется лишь несложная и бесплатная регистрация на сайте компании. При этом DesignSpark PCB не содержит никаких ограничений ни по количеству элементов схемы, ни по времени использования. В отличие от вышеперечисленных программ, DesignSpark PCB не пытается привязать пользователей к конкретному производителю и генерирует выходные файлы в популярных производственных форматах Gerber, DXF, Excellon, IDF, LPKF. Эта программа выполнена на очень хорошем профессиональном уровне и включает в себя все необходимые компоненты, такие как схемный редактор и редактор печатных плат. В схемном редакторе, пользователь может легко рисовать схемы и связи. При этом, схема может содержать множество листов, связанных между собой в полный проект. Последний имеет функции автокомпоновки и автотрассировки. На данный момент существует большое интернет-сообщество пользователей этой программы, где каждый может найти поддержку по интересующим его вопросам. В DesignSpark PCB осуществлена поддержка популярных симуляторов, таких как LTSpice, LSSpice, TopSpice и TINA. Пользователи имеют возможность импортировать свои проекты из этих программ для создания печатных плат. Интерфейс программы включает в себя специализированный калькулятор, который позволяет рассчитывать ширину и сопротивление дорожек, оптимальную плотность тока и повышение температуры дорожки, а также сопротивления переходных отверстий.

KiCad состоит из схемного редактора Eeschema , редактора печатных плат Pcbnew и Gerber просмотровщика Gerbview . Приятной неожиданностью является то, что в опциях программы предусмотрен русский язык, а так же имеется помощь на русском языке. Схемный редактор обеспечивает создание однолистовых и иерархических схем, контроль электрических правил (ERC), создание списка цепей (netlist) для pcbnew или Spice. Редактор печатных плат обеспечивает разработку плат, содержащих от 1 до 16 слоев меди и до 12 технических слоев (шелкография, паяльная маска и т. п.), генерацию технологических файлов для изготовления печатных плат (Gerber-файлы для фотоплоттеров, файлы сверловок и файлы размещения компонентов), печать слоев в формате PostScript. Gerber просмотровщик позволяет просматривать Gerber-файлы.

В чем отличие сквозного маршрута от обыкновенного?

Пример, упрощенный, сковозного проектирования

1 Разработчик делает схему , например, в P-CAD, и с этой же схемы автоматом (например, с помощью утилит) получает перечнь элементов, если нужно и КРР.

2 Разводчик, используя эту же схему разводит печатную плату (создает файл PCB ).

3 Конструктор используя эту же схему получает данные для спецификации (автоматом заносит их в нужные разделы спецификации) и автоматом создает ВП.

4 Конструктор, используя готовый файл PCB , созданный по схеме разработчика, создает автоматом 3D-модель готовой платы, сборочный чертеж, чертеж печатной платы.

На выходе - полный комплект на изделие "Плата с элементами". Быстро и, практически, без ошибок. Особенно ускоряется процесс, когда идут валом однотипные платы.

При изменениях в схеме процесс просто повторяется с большой скоростью, так как все уже наработано.

Файлы никто никому не передает в обычном понимании. Все лежит на общем сетевом диске. У разработчика своя папка, у разводчика - своя, у конструктора - своя. С соответствующими правами доступа. Каждый может как просмотреть файлы любого другого, так и использовать их с воей работе. Когда это становится необходимым.

Работать одно удовольствие. И работа идет быстро и, образно говоря, "чайку успеваешь попить".

Несквозное проектирование, упрощенно

1 Разработчик делает схему в чем попало. В P-CAD, AutoCAD, просто на клочке бумаги (сам видел!).

2 Разработчик в ручную создает перечень элементов. В чем попало. Если схема только на бумаге, перечень могут поручить создавать конструктору.

3 Разработчик передает схему в разводку на бумаге. Потому что он(!) считает, что не обязан передавать разводчику свою работу в электронном виде. В результате чего разводчику приходится сначала ревоспроизводить схему в виде файла (если схема сложная, во избежание ошибок) с бумаги. Если схема простая, просто разводит и создает PCB, проверяя его глазами.

4 Если для оформления сборочного чертежа у конструктора будет файл PCB, это уже счастье. Через DXF все перекидывается в AutoCAD. Много времени тратится, чтоб все это в автокаде привести в некоторый порядок. Все вручную.

5 Спецификация и ВП делаются в чем попало, часто в AutoCAD. Вручную.

На выходе - комплект КД, на который затрачено столько труда, что за новый такой же и браться не хочется.

Изменения в схеме приводят к ручной правке PCB, автокадовских и других файлов. В результате чего возникают нестыковки и ошибки.

Все файлы (названы абы как) храняться на локальных компьютерах в абы как названных папках. Если человек уходит в отпуск, а его файлы нужны, все ждут возвращения из отпуска, потому что без автора разобраться в его наработаках очень часто бывает невозможно.

Для передачи файлов используют флэшки, даже при наличии компьютерной сети. Часто, с вытекающими отсюда "заразными" последствиями.

Продвинутые пользователи по привычке для передачи файлов используют общедоступную (не корпоративную) e-mail. Хотя и корпоративная электронная почта имеется.