3D-Моделирование на уроках информационных технологий и в проектной деятельности студентов как средство формирования профессиональных компетенций

3D-Моделирование на уроках информационных технологий и в проектной деятельности студентов как средство формирования профессиональных компетенций

Сведения об авторе работы: Михопарова Ольга Валерьевна, преподаватель информатики и информационных технологий. Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение Чувашской Республики «Чебоксарский техникум строительства и городского хозяйства» Министерства образования и молодежной политики Чувашской Республики. 428017, г.Чебоксары, Московский проспект, д.35
тел./факс (8352) 22-21-20

Контактная информация автора: [email protected]

Аннотация. В статье рассматривается возможности изучения 3D-моделирования на уроках информатики, опыт внедрения проектных технологий использованием программ автоматизированного проектирования 2D/3D моделирования, BIM-технологий. Также приведены примеры компьютерного моделирования реальных проектов. Представленный материал может быть интересен как для школьных учителей информатики, работающих в инженерных классах, так и для преподавателей СПО и технических вузов.

Ключевые слова. компьютерное моделирование, информационные технологии, модель, макет, САПР , 3D моделирование, проект, BIM-технологий.

Для того чтобы нынешние выпускники среднего профессионального образования были востребованы на рынке труда в современном обществе они должны обладать профессиональными компетенциями, владеть информационными технологиями на высоком уровне. В условиях развития информационной среды все большее значение приобретает способность человека грамотно представлять информацию, т.е. строить информационные модели. Освоение вопросов использования моделирования в курсе информатики студентами способствует решению многих общеобразовательных задач, развитию мотивационных, профессиональных качеств личности. Особенно это касается студентов технических специальностей, а именно для будущих инженеров и строителей.

Использование компьютерных технологий при проведении начальных исследований, разработке проектных решений, оформление проектной документации позволяют существенно сокращать сроки выполнения проектных заданий. В настоящее время применяются несколько десятков программных продуктов, позволяющих эффективно создавать самые сложные конструкторские чертежи и современные проекты гражданских и промышленных зданий. 3D-моделирование в строительстве и архитектуре – одно из самых популярных направлений использования информационно-коммуникационных технологий. В нашем учебном заведении уделяется пристальное внимание к этой проблеме. Для этих целей успешно применяются такие программные продукты, как КОМПАС-3D, AutoCAD, ArchiCAD, Revit, 3D Max.

Системы автоматизированного проектирования САПР позволяют разрабатывать проекты быстро и качественно, выполнять рутинную работу за минимальное количество времени. Разнообразные программные пакеты компьютерной графики, трехмерного моделирования, автоматизированного черчения и проектирования, визуализации и презентации предоставляют современным специалистам широчайшие возможности для реализации творческих и профессиональных решений. Овладев инструментом и умением грамотно использовать компьютерное моделирование, студент становится не просто обучающимся, но исследователем, умеющим самостоятельно и творчески выявлять, и решать достаточно широкий круг задач.

Э
ффективное преподавание 3D-моделирования невозможно без подготовленной методики и дидактических материалов. Для этого разработаны конспекты лекций, презентации, методические указания к практическим занятиям с открытым доступом для студентов на персональном сайте педагога. На начальном этапе, 1-2 год обучения на базе основного образования, в рамках учебных занятий информатики и информационных технологий мы рассматриваем программы КОМПАС-3D, AutoCAD для автоматизации инженерно-графических работ, создаём трёхмерные модели простых деталей, учимся работать с инструментами рисования и редактирования, выставлять размеры на чертеже. Рассматриваем базовые понятия трехмерного моделирования и методику компьютерного моделирования. Системы автоматизированного проектирования КОМПАС-3D, AutoCAD предназначены для автоматизации проектно-конструкторских и технологических работ и обеспечивают высокоэффективную обработку и выпуск чертежно-конструкторской документации, а также позволяет осуществлять создание поверхностей, твердотельных моделей проектируемых деталей и сборочных единиц. КОМПАС-3D Российской компании АСКОН кроме графического редактора включает в себя целый ряд программных продуктов и библиотек, значительно повышающих эффективность и качество проектирования. Он одинаково удобен как для машиностроения, так и для строительства и архитектуры.

На 3 курсе мы переходим к выполнению строительных чертежей: планы этажей, разрезы, фасады, узлы и т.д. Разбираем примеры выполнения чертежей и создания трехмерных моделей, сборок выполняем контрольные и тестовые задания для самоконтроля и проверки знаний, умений и навыков работы с данными программами. Самостоятельно создаем проекты компьютерных моделей зданий и сооружений. Особое внимание уделяется современным технологиям компьютерного моделирования – BIM технологиям. BIM (англ. Building Information Model или Modeling) —информационное моделирование зданий и сооружений, под которыми в широком смысле понимают любые объекты инфраструктуры [4]. Предполагает сбор и комплексную обработку в процессе проектирования всей архитектурно-конструкторской, технологической, экономической и иной информации о здании со всеми её взаимосвязями и зависимостями, когда здание и всё, что имеет к нему отношение, рассматриваются как единый объект [4]. Особенность такого подхода заключается в том, что строительный объект проектируется фактически как единое целое: изменение какого-либо из его параметров влечёт за собой автоматическое изменение связанных с ним параметров и объектов, вплоть до чертежей, визуализаций, спецификаций. В 2018 году в Екатеринбурге прошли самые масштабные в России соревнования профессионального мастерства среди молодых специалистов крупнейших отечественных промышленных предприятий WorldSkills Hi-Tech, на которых впервые была представлена компетенция «Технология информационного моделирования (BIM)».

Знания компьютерного моделирования студенты будут использовано в курсовом и дипломном проектировании, способствовать развитию у студентов таких компетенций как:

способности понимать возможности применения ИТ в промышленности, в строительстве и архитектуре; воспитание профессионально значимых качеств, способности к применению полученных знаний в профессиональной деятельности, ответственности за выполненную работу, сообразительность и внимательность при выполнении практической работы; умения решать прикладные задачи и правильного использования ЭВМ в своей профессиональной деятельности; владеть информационной культурой, анализировать и оценивать информацию с использованием информационно-коммуникационных технологий; работать в коллективе и в команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями; организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество; умения применять знания из смежных дисциплин; формировать умения и навыки самостоятельного умственного труда

Переход СПО на стандарты нового поколения, в основе которых лежит компетентностный подход, предполагает широкое использование передовых образовательных технологий[2]. К таким методам может быть отнесено использование проектных технологий. По новым стандартам ФГОС предусмотрено выполнение студентами индивидуальных проектов, начиная с первого курса. Из опыта своей работы, могу сказать, что многие студенты предпочитают проекты с 3D моделированием. Метод проектов ориентирован на самостоятельную деятельность учащихся - индивидуальную, парную, групповую, которую учащиеся выполняют в течение определенного отрезка времени[3]. Отличительной особенностью проектной деятельности на учебных занятиях является то, что преподаватель контролирует процесс разработки проекта, более активно участвует в его создании. Но время на таких занятиях строго ограничено, а учебный материал должен быть усвоен каждым студентом, поэтому такие проекты могут быть продолжительностью в несколько занятий. При умелой организации процесса создания проекта и правильно выбранном его продукте этот метод достаточно эффективен, так как позволяет создать условия для формирования у студентов навыков выделения проблемы, поиска способов ее решения, добычи информации (это может быть учебник, дополнительные материалы; доступ к электронной библиотеке, книге, ресурсам интернета т.к. учебное занятие проходит в компьютерном классе) ее обобщения, представление выводов в виде некоторого конечного продукта – информационной компьютерной модели.

Для наглядности, хотелось бы привести краткий обзор нескольких реализованных проектов в различных программных продуктов 3D-моделирования..

Проект № 1. Построение архитектурного объекта методом компьютерного моделирования и создания макета (на примере средневековой крепости)

Дисциплина: Информатика, 1 курс.

Актуальность Крепости Средневековья имели огромное значение на протяжении долгого периода времени, как для всей России, так и для остальных развивающихся стран мира. Крепости того периода являются примером высочайшего архитектурного искусства вызывают профессиональный интерес как и у строителей так и архитекторов. Развитие целостного представления о средневековье невозможно без комплексного изучения, зданий и сооружений того времени.

Цель поставленная Авторами данного проекта: сформировать представление о крепости средневековья методом компьютерного моделирования и макетирования.

Достижение поставленной цели возможно путём решения следующих задач: изучить особенности сооружений данного времени; выявить главное в географическом расположении крепостей средневековья; раскрыть особенности архитектурного строительства того времени; выбрать программное обеспечение для компьютерного моделирования крепости; создать трёхмерную модель крепости; создать макет крепости, используя данные 3d моделирования; сравнить полученную трехмерную модель и макет крепости.

Объект исследования и проектирования: архитектура крепостей средневековья

Методы и инструменты исследования: информационное, компьютерное моделирование в Компас-3D, макетирование

Форма организации: групповая.

Чтобы лучше всё это понять, представить и иметь наглядный образ создали крепость. Начали с того, что построили 3D макет, а после и реальную (уменьшенную) модель в масштабе 1:100 , изобразив не только строения, но и рельеф его местности, людей, его заселяющих, и воинов, обороняющих крепостные стены.

Д
ля создания 3D- модели студенты воспользовались программой САПР Компас-3D[5]. Выбор данной программы продиктован, тем, что программа Компас содержит библиотеку архитектурно-строительных элементов, что позволяет создавать планы и их модели за короткий промежуток времени. Знания основ черчения и трехмерного моделирования достаточны для создания данной крепости студентами 1-2 курсов. После создания трехмерной притупили к построению макета крепости из подручных материалов.

Выводы, сделанные студентами: Макет модели может и используется на уроках истории нашего техникума. 3D-модель созданная в программе Компас может стать наглядной практической работой на уроке информатике. Макеты и модели позволяют изучить взаимодействие объемов или получить представление о том, как они смотрятся с разных ракурсов. Таким образом, миниатюрная копия объекта нужна для проверки тех или иных архитектурных решений, выявления недостатков, поиска рациональности, целесообразности и совершенства задуманного сооружения.

Проект №2. Современная крепость на Короленко.

Дисциплина: Информационные технологии,3 курс

Актуальность. Уходит в прошлое и использование простого набора примитивов САПР для сложных чертежей. Программа Bim –проектирования AutoDesk Revit[7] меняет представление как о работе с пакетами САПР, так и о формировании структуры чертежа.

Программа AutoDesk Revit сочетает в себе технологии 2D и 3D – проектирования. Это инструмент, который даёт простор для творчества и в тоже время ускоряет процесс чертежа, компьютерного моделирования и проектирования.

Цель работы: построить 3D модель реального здания, используя полученные знания из дисциплин: архитектура зданий, инженерная графика и информационные технологии.

Форма организации: индивидуальная

Ход работы: Исследование здания на местности с различных ракурсов; измерение размеров. анализ здания, материал, конструкции.; проектирования модели здания в программе AutoDesk Revit; вычерчивание планов; работа с семействами; получение разрезов, фасадов, 3D-видов, спецификаций, сцен анимации обхода камер

В
изуализация и фото рендеринг. Получение фотореалистичного изображения.

Выводы, сделанные студентом: Модель соответствующая реальному проекту здания, построена, хотя 100% сходство не получилось. Из этой виртуальной модели извлекается разнообразная информация – планы, фасады, разрезы. Просмотр проектируемого объекта в 3D-изображении позволяет проектировщику избежать ошибок при разработке проекта и облегчает его работу с заказчиком

Проект № 3. Групповой проект: «Проектирование коттеджного посёлка в САПР ArchiCAD».

Дисциплина: информационные технологии

Актуальность: С тех пор как компьютер стал персональным и появился на столе инженера-конструктора, прошло более 30 лет. Черчение с помощью кульмана практически ушло в прошлое, и системы автоматизированного проектирования (САПР) является основой деятельности любой проектной организации.

Среди специализированных САПР в строительстве и архитектуре свою нишу занял и пакет программ ArchiCAD– мощная система, обеспечивающая эффективную индивидуальную и коллективную работу над архитектурными проектами. Программа ARCHICAD является одним из лучших решений в сфере проектирования архитектурных объектов, в основе которого лежит BIM технология [8].

Цель работы – спроектировать виртуальную модель коттеджного поселка, раскрыть и изучить основные возможности и этапы трехмерного моделирования в САПР ArchiCAD и применения её в производстве, используя свои знания по дисциплинам «Информационные технологии в профессиональной деятельности», «Инженерная графика», «Архитектура зданий».

Объект исследования: Программа проектирования САПР ArchiCAD.

Предмет исследования – Возможность совместного проектирования целого комплекса зданий и сооружений.

Практическое применение работы. Разработка проектов в ArchiCAD ведётся не так, как в универсальных САПР (например, AutoCAD). Вместе с отрисовкой чертежей создаётся виртуальная трёхмерная модель здания, используя имеющиеся библиотеки стандартных блоков и выполняя над этими блоками определённые операции. Универсальные системы проектирования не позволяют, например подсчитать, количество фундаментных блоков или балок в вашем проекте.

Форма организации: групповая.

Технология работы над проектом: Работа над проектом начинается с четкого планирования деятельности каждого из членов команды. Координатор определяет задание и сроки выполнения для каждого из участников. Работа выполняется группой студентов, где каждый выполняет свой индивидуальный проект коттеджного дома. В команде при выполнении этой работы возможно участие от 2 до 10 участников. Где один из членов команды является основным связующим – командиром (главный проектировщик), который следит за сроками и качеством выполнения проектов и в конце все работы соединяет в одном проекте. Все остальные члены команды вносят равнозначный вклад в создание данной информационной модели.

Этапы работы над проектом

Разработку проекта начали с определения количества и взаимного расположения этажей зданий, создали двухэтажные коттеджные дома. Проект начинается с создания уровней (этажи): фундаменты, подвал (цоколь), первый этаж, второй этаж, крыша и кровля

П рядок вычерчивания планов этажей: формирование сетки координационных осей, на всех этажа; формированием ленточных фундаментов и фундаментных блоков, вычерчивание стен и перегородок; вставкой библиотечных элементов окон, дверей, лестниц, кровли, мебели и сантехнического оборудования; установка перекрытий. установка кровли; благоустройство территории. В этом проекте совместно создано 6 фундаментов, 12 разных планов этажей

Имеется возможность переключаться между этажами, видеть одновременно несколько этажей с целью определенного размещения объектов, то есть выполнять полноценную работу проектировщика. В любой момент из окна плана этажа можно переключиться в окно отображения объемной модели здания и посмотреть результаты проектирования

Д
ля представления внешнего вида проектируемого объекта используются фасады. Фасад – это вид объекта со стороны. Разрез – это изображение объекта, мысленно рассеченного одной или несколькими плоскостями сечения. На разрезе показывается то, что находится в секущей плоскости и за ней.

Проект № 4. Благоустройство и озеленение территории техникума средствами компьютерного моделирования

Дисциплины: информационные технологии, экология.

Актуальность: летопись нашего техникума начинается со слияния двух учебных заведений: строительного и политехнического техникумов. Просторные и светлые аудитории, высокие потолки и большая прилегающая территория. Так как благоустройство не только возможность украсить прилегающую территорию, но и способ сделать студенческую жизнь более комфортной, было принято решение спроектировать информационную модель благоустройства территории, используя программу 3D-моделирования.

Цель работы: создать уникальный проект благоустройства территории ЧТСГХ.

Предметом изучения являются мероприятия по благоустройству и озеленению территории бюджетного образовательного учреждения «ЧТСГХ».

Методы исследования: Изучение научной литературы; Поиск информации; Изучение основ работы в программе SketchUp Make: просмотр видеоуроков, презентаций.

Форма организации: групповая.

Научная новизна данного исследования заключается в том, что проекте предлагается решение не только эстетических вопросов благоустройства, но и предлагаем систему альтернативных источников электричества и модели «умного дома».

Для решения проблемы благоустройства разработали план проектирования участка: выезд на участок; разработка проекта благоустройства; разработка плана мощения участка; подготовка планировочного чертежа; дендропроектирование; проектирование ландшафтного освещения; выбор системы полива участка; альтернативные источники электричества; составление генерального плана; 3D-моделирование проекта.

Для того чтобы до конца понять нашу идею создали 3D модель. Это можно достичь путем компьютерного моделирования. Именно на этом этапе проектирования вы сможете впервые увидеть внешний вид будущего участка. Использовали программу SketchUp[6], хотя так же можно воспользоваться программами 3D Max, Revit Architecture, ArchiCAD, Компас и т.д. SketchUp - удобная бесплатная программа для трёхмерной графики. SketchUp Make позволяет создавать несложные объёмные проекты: архитектурные сооружения, мебель и детали интерьера. Основные характеристики программы: простой интерфейс, который понятен новичкам и непрофессионалам; наличие знакомых инструментов рисования в трёх плоскостях (карандаш, ластик, линейка и другие); возможность импорта и экспорта многочисленных графических форматов; наличие библиотеки моделей, материалов, стилей; поддержка плагинов для визуализации, экспорта, создания различных физических эффектов и других функций; режимы работы со слоями и сценами; разрешение на загрузку готовых скриптов; создание макросов, используя язык Ruby, и добавление их в меню; создание достоверных теней предметов в конкретной географической точке (задаются широта, долгота и время суток); полное интегрирование с известной программой Google Планета Земля (Google Earth).

Остановились на данной программе т.к. она легка в освоении, и содержит необходимый инструментарий для архитектурно-дизайнерского проектирования. Рисунки 3D-модель проекта представленные в данной работе это скриншоты с программы SketchUp.

Таким образом, совмещение оптимальных методов изучения технологий 3D-моделирования в учебном процессе и проектных технологий в самостоятельной деятельности позволяют успешно формировать профессиональные компетенции студентов. Позволяет сделать процесс получения знаний более интересным за счет возможности проявить себя в практической самостоятельной деятельности, решая поставленные задачи, а обучение становиться более практико-ориентированным. Результаты работы над интегрированными проектами позволяют формировать не только базовые навыки 3D-моделирования, но и их использование в смежных дисциплинах. Именно, использование проектных технологий и межпредметных связей, обеспечивает формирование конкурентоспособного специалиста в интегрированном информационном пространстве современного общества.

Список использованных источников:

1. в Вырезки из проектных и исследовательских работ студентов. ЧТСГХ. 2012-2020.

2. Ступницкая М.А. Новые педагогические технологии. учимся работать над проектами. Рекомендации для учащихся, учителей и родителей. – Ярославль: Академия развития, 2008.

3. Ступницкая М.А.Что такое учебный проект? /– М. : первое сентября, 2010. – 44 с.

4. http://ru.wikipedia.org/wiki/BIM Информационное моделирование зданий (BIM)

5. https://edu.ascon.ru Решения АСКОН для студентов, школьников, преподавателей.

6. https://gsketchup.ru/ Уроки Скетчап для начинающих.

7. https://www.autodesk.ru/education/ ПО и ресурсы учащихся и преподавателей

8. https://myarchicad.com/ GRAPHISOFT. ПО для студентов и преподавателей