eng
Выпуск #1/2022
Л. Ю. Дарьина
Развитие направления «Аддитивные технологии» в системе довузовской подготовки. Опыт использования CAD / CAM / CAPP ADEM
Развитие направления «Аддитивные технологии» в системе довузовской подготовки. Опыт использования CAD / CAM / CAPP ADEM
Просмотры: 638
Предложена методика использования интегрированной системы CAD / CAM / CAPP ADEM 9.0 в качестве универсального инструмента решения задачи развития политехнического образования в сфере общего и дополнительного образования.
Теги: additive technologies polytechnical education subtractive manufacturing processes аддитивные технологии политехническое образование субтрактивные производственные процессы
Развитие направления «Аддитивные технологии» в системе довузовской подготовки
Опыт использования CAD / CAM / CAPP ADEM*
Л. Ю. Дарьина
Предложена методика использования интегрированной системы CAD / CAM / CAPP ADEM 9.0 в качестве универсального инструмента решения задачи развития политехнического образования в сфере общего и дополнительного образования.
На исходе второго десятилетия 21 века одним из основных факторов, тормозящих развитие промышленности России, остается пресловутый «кадровый голод» – нехватка высокопрофессиональных кадров. Проблема постоянно входит в повестку отраслевых конференций и семинаров, дискуссий в правительстве и т. п., но ее актуальность не снижается. Эксперты традиционно выделяют несколько реальных причин происходящего:
Но на самом деле проблема политехнической сферы российского профессионального образования кроется в несовершенстве федерального государственного образовательного стандарта (ФГОС), не обеспечивающего формирование необходимого уровня подготовки абитуриентов учреждений СПО и вузов для успешного освоения программ профессиональной подготовки.
ФГОС не предусматривает дисциплин, обеспечивающих комплексное развитие компетенций обучающихся, которое позволило бы им делать осознанный выбор профессии политехнической направленности.
Решить эту проблему силами только учреждений дополнительного образования невозможно, поскольку это потребовало бы самостоятельного выстраивания целостной системы знаний из получаемых учащимися разрозненных знаний, умений и навыков.
Даже если учреждение общего образования имеет в своем составе структурные подразделения дополнительного образования, по-прежнему остается очень много не решенных вопросов: чему обучать, какие использовать методические материалы, на какой материальной базе реализовывать практическую часть образовательного процесса.
Одним из решений, на наш взгляд, могла бы стать межпредметная интеграция образовательных программ общего и дополнительного образования с применением современных средств автоматизации проектирования и изготовления изделий.
Проблему нехватки методических материалов можно хорошо проиллюстрировать анализом двух распространенных запросов в произвольной поисковой системе: «лабораторные работы по инженерной графике для школьников» и «лабораторные работы по 3D-моделированию для школьников».
В первом случае результатом станет большое количество лабораторных работ по черчению и моделированию всевозможных элементарных деталей: пластин, прокладок, планок, опор, корпусов, крышек, валов и т. д. (рис. 1). А во втором – красочный коллаж из фотографий детей вместе с преподавателями в лучшем случае сидящих за компьютерами и программирующих роботов из конструкторов «Лего», в худшем – находящихся на обзорной экскурсии в лабораториях, оснащенных 3D-принтерами (рис. 2).
Специалисты компании ADEM, специализирующиеся в регионах на довузовской подготовке учащихся, считают оба эти подхода неэффективными и, соответственно, неприемлемыми.
Еще одна неявная проблема системы общего и дополнительного образования – следование «модным» промышленным тенденциям. В начале 2010‑х годов такими модными темами стали нанотехнологии и робототехника. С этой точки зрения рассматривались вопросы грантовой поддержки проектов, предусматривающих приобретение оборудования, что наложило отпечаток на оснащение материальной базы образовательных учреждений.
Группа компаний ADEM в регионах поддерживает сообщества образовательных учреждений, способные организовать сетевое взаимодействие лабораторий сквозного проектирования с целью обеспечения всестороннего обучения школьников.
Мы считаем, что оптимальным универсальным инструментарием решения задачи развития политехнического образования в сфере общего и дополнительного образования является академическая версия отечественной интегрированной системы CAD / CAM / CAPP ADEM 9.0, бесплатно распространяемая для использования в образовательных целях, как в учреждениях образования, так и индивидуально педагогами и учащимися.
Специалистами группы компаний ADEM разрабатываются лабораторные работы, которые могут быть использованы даже в работе с обучающимися начальной школы. Выполнение этих работ преследует как прагматические, так и общеобразовательные цели:
Ученики начальной школы знакомятся с новейшими разработками в сфере моделирования и изготовления изделий на примере, понятном любому ребенку, что способствует мотивации учащихся к изучению всех необходимых дисциплин, получению и накапливанию практических навыков.
Обучающиеся 5–8 классов формируют целостное представление как о предмете, модель которого строят, свойствах объектов окружающего мира, являющихся прототипами модели, так и о неразрывных связях предметных дисциплин, изучаемых ими изолированно (математика, физика, природоведение, биология, химия и т. д.). Как следствие использования многоуровневой интеграции у обучающихся формируется зона ближайшего развития, позволяющая в последующие годы многократно ускорить процессы обучения по любому из выбранных направлений.
Обучающиеся 9–11 классов в результате выполнения работ систематизируют полученные ранее знания таких предметных областей, как математика и информатика, естественно-научные дисциплины, технология, и восполняют пробелы в тех или иных разделах фундаментальных дисциплин, используя широкие возможности CAD / CAM / CAPP системы ADEM 9.0.
В работе с учреждениями общего и дополнительного образования особый фокус делается на аддитивных технологиях и их применении в сфере общего образования. Сегодня даже у школьников 5–6 классов термин «аддитивные технологии» на слуху, поскольку эта тематика поддерживается многочисленными целевыми программами федерального, регионального и муниципального уровней.
Изобилие материалов, представленных на доступных электронных ресурсах, предоставляет практически безграничные возможности новейших технологий, не привлекая внимания к их уязвимым местам.
Очень важно не допустить перекоса в формирующихся профессиональных представлениях учащихся, методически правильно проводить постоянное сравнение аддитивных технологий (подразумевает постройку объектов за счет добавления необходимого материала) и традиционных методов механического производства и обработки – так называемых субтрактивных (при субтрактивных производственных процессах, например при металлообработке, берется цельная заготовка, которая приводится в нужную форму путем последовательного удаления части материала).
В процессе обучения необходимо не абсолютизировать 3D-сканирование как метод, «позволяющий в несколько раз сократить время, затрачиваемое на создание модели», поскольку не учитывается возможность изменения и / или корректировки полученной модели, а понятие «параметризованная модель» отсутствует как таковое.
Наглядным примером сравнительного анализа использования субтрактивных и аддитивных технологий является лабораторная работа «Синий махаон» (Синий махаон – так часто называют самую крупную дневную бабочку России). В данной лабораторной работе реализация декоративного изделия «Синий махаон» рассмотрена в последовательности:
Вне зависимости от выбора способа реализации изделия в материале (аддитивными или субтрактивными методами) первостепенная задача – это создание 3D-модели в CAD / CAM-системе с возможностью проверить корректность построения (все ли образующие тело поверхности замкнуты, является ли тело единым объектом и т. д.). Сборная модель бабочки и раскладка плоских деталей для построения техпроцесса изготовления изделия представлены на следующих скриншотах (рис. 3).
Изготовление изделия из разных заготовок на основании одной и той же модели позволяет учащимся на практике познать различия свойств материалов и областей их применения. Модель рассчитана на толщину материала 3 мм, однако из фанеры и оргстекла этой толщины получаются совершенно разные изделия. Соответственно, при сборке деталей, вырезанных из фанеры, мы получим деревянную бабочку, которая впоследствии может быть художественно расписана, а из оргстекла – прозрачную бабочку как, например, декоративный компонент ночника.
Используя уже построенные контуры деталей бабочки, можно создать модель для реализации другого декоративного изделия – брошки или заколки. В этом случае изготовление декоративного изделия «Синий махаон» осуществляется с применением аддитивных технологий на 3D-принтере Magnum Education, который использует технологию послойного наплавления материала (FDM). Рабочее поле 230 × 210 мм; высота области печати – 235 мм; экструдер с выходным диаметром сопла 0,3 мм. На рис. 4 представлены этапы преобразования ранее построенных контуров сборной конструкции в модель нового изделия.
В соответствии с санитарными нормами на уроках в учреждениях общего и дополнительного образования разрешается использовать только один вид пластика – полилактид (PLA). Это биосовместимый материал, нетоксичный при нагреве, не имеющий резкого запаха и безопасный в использовании. Материал поставляется на катушках, имеет 16 базовых цветов, однако полная палитра возможных оттенков достаточно велика, в том числе есть полупрозрачные и прозрачные PLA.
Наиболее органичным переходом от плоско-объемного моделирования к темам создания моделей сложных форм является работа с телами вращения. Одна из классических задач – это моделирование и изготовление шахматных фигур, ее решение также преставлено в виде лабораторной работы, которая выполняется с проведением сравнительного анализа применения субтрактивных и аддитивных технологий.
Методы создания изделий рассматриваются с обязательным сравнением трудозатрат, необходимости дополнительных построений и / или оснастки и крепежа, полученный результат оценивается с точки зрения технологической точности и эстетической привлекательности.
Проактивная демонстрация аддитивных технологий требует выбора таких изделий, которые сложно или невозможно изготовить иными. К такому типу относятся изделия с отрицательным уклоном поверхности, рельефной боковой поверхностью или гибкие конструкции.
Удачным примером, сочетающим все перечисленные преимущества аддитивных технологий, являются новогодние украшения. Елочные шары могут быть как причудливо ажурными, так и представлять собой полую сферу с тематическим рельефом по выбору учащегося. И в том и в другом случае интересен как процесс моделирования, так и процесс подбора параметров слайсера для того, чтобы геометрия изделий не искажалась при 3D-печати.
Обсуждение специалистами учреждений образования различных уровней предлагаемых лабораторных работ приводит к стимулированию разработки методических материалов по данной тематике, что в свою очередь проявляется увеличением количества и повышением качества конкурсных работ учащихся и их педагогов, принимающих участие в ежегодном открытом региональном конкурсе «Инженерная компьютерная графика и применение ее в производстве».
Автор
Дарьина Лариса Юрьевна –
генеральный директор ООО «ЛД-Факториал»
Опыт использования CAD / CAM / CAPP ADEM*
Л. Ю. Дарьина
Предложена методика использования интегрированной системы CAD / CAM / CAPP ADEM 9.0 в качестве универсального инструмента решения задачи развития политехнического образования в сфере общего и дополнительного образования.
На исходе второго десятилетия 21 века одним из основных факторов, тормозящих развитие промышленности России, остается пресловутый «кадровый голод» – нехватка высокопрофессиональных кадров. Проблема постоянно входит в повестку отраслевых конференций и семинаров, дискуссий в правительстве и т. п., но ее актуальность не снижается. Эксперты традиционно выделяют несколько реальных причин происходящего:
- несовершенство системы профессионального образования;
- недостаток учреждений среднего профессионального и высшего образования политехнической направленности;
- недостаток высокопрофессиональных преподавателей в этих учреждениях.
Но на самом деле проблема политехнической сферы российского профессионального образования кроется в несовершенстве федерального государственного образовательного стандарта (ФГОС), не обеспечивающего формирование необходимого уровня подготовки абитуриентов учреждений СПО и вузов для успешного освоения программ профессиональной подготовки.
ФГОС не предусматривает дисциплин, обеспечивающих комплексное развитие компетенций обучающихся, которое позволило бы им делать осознанный выбор профессии политехнической направленности.
Решить эту проблему силами только учреждений дополнительного образования невозможно, поскольку это потребовало бы самостоятельного выстраивания целостной системы знаний из получаемых учащимися разрозненных знаний, умений и навыков.
Даже если учреждение общего образования имеет в своем составе структурные подразделения дополнительного образования, по-прежнему остается очень много не решенных вопросов: чему обучать, какие использовать методические материалы, на какой материальной базе реализовывать практическую часть образовательного процесса.
Одним из решений, на наш взгляд, могла бы стать межпредметная интеграция образовательных программ общего и дополнительного образования с применением современных средств автоматизации проектирования и изготовления изделий.
Проблему нехватки методических материалов можно хорошо проиллюстрировать анализом двух распространенных запросов в произвольной поисковой системе: «лабораторные работы по инженерной графике для школьников» и «лабораторные работы по 3D-моделированию для школьников».
В первом случае результатом станет большое количество лабораторных работ по черчению и моделированию всевозможных элементарных деталей: пластин, прокладок, планок, опор, корпусов, крышек, валов и т. д. (рис. 1). А во втором – красочный коллаж из фотографий детей вместе с преподавателями в лучшем случае сидящих за компьютерами и программирующих роботов из конструкторов «Лего», в худшем – находящихся на обзорной экскурсии в лабораториях, оснащенных 3D-принтерами (рис. 2).
Специалисты компании ADEM, специализирующиеся в регионах на довузовской подготовке учащихся, считают оба эти подхода неэффективными и, соответственно, неприемлемыми.
Еще одна неявная проблема системы общего и дополнительного образования – следование «модным» промышленным тенденциям. В начале 2010‑х годов такими модными темами стали нанотехнологии и робототехника. С этой точки зрения рассматривались вопросы грантовой поддержки проектов, предусматривающих приобретение оборудования, что наложило отпечаток на оснащение материальной базы образовательных учреждений.
Группа компаний ADEM в регионах поддерживает сообщества образовательных учреждений, способные организовать сетевое взаимодействие лабораторий сквозного проектирования с целью обеспечения всестороннего обучения школьников.
Мы считаем, что оптимальным универсальным инструментарием решения задачи развития политехнического образования в сфере общего и дополнительного образования является академическая версия отечественной интегрированной системы CAD / CAM / CAPP ADEM 9.0, бесплатно распространяемая для использования в образовательных целях, как в учреждениях образования, так и индивидуально педагогами и учащимися.
Специалистами группы компаний ADEM разрабатываются лабораторные работы, которые могут быть использованы даже в работе с обучающимися начальной школы. Выполнение этих работ преследует как прагматические, так и общеобразовательные цели:
Ученики начальной школы знакомятся с новейшими разработками в сфере моделирования и изготовления изделий на примере, понятном любому ребенку, что способствует мотивации учащихся к изучению всех необходимых дисциплин, получению и накапливанию практических навыков.
Обучающиеся 5–8 классов формируют целостное представление как о предмете, модель которого строят, свойствах объектов окружающего мира, являющихся прототипами модели, так и о неразрывных связях предметных дисциплин, изучаемых ими изолированно (математика, физика, природоведение, биология, химия и т. д.). Как следствие использования многоуровневой интеграции у обучающихся формируется зона ближайшего развития, позволяющая в последующие годы многократно ускорить процессы обучения по любому из выбранных направлений.
Обучающиеся 9–11 классов в результате выполнения работ систематизируют полученные ранее знания таких предметных областей, как математика и информатика, естественно-научные дисциплины, технология, и восполняют пробелы в тех или иных разделах фундаментальных дисциплин, используя широкие возможности CAD / CAM / CAPP системы ADEM 9.0.
В работе с учреждениями общего и дополнительного образования особый фокус делается на аддитивных технологиях и их применении в сфере общего образования. Сегодня даже у школьников 5–6 классов термин «аддитивные технологии» на слуху, поскольку эта тематика поддерживается многочисленными целевыми программами федерального, регионального и муниципального уровней.
Изобилие материалов, представленных на доступных электронных ресурсах, предоставляет практически безграничные возможности новейших технологий, не привлекая внимания к их уязвимым местам.
Очень важно не допустить перекоса в формирующихся профессиональных представлениях учащихся, методически правильно проводить постоянное сравнение аддитивных технологий (подразумевает постройку объектов за счет добавления необходимого материала) и традиционных методов механического производства и обработки – так называемых субтрактивных (при субтрактивных производственных процессах, например при металлообработке, берется цельная заготовка, которая приводится в нужную форму путем последовательного удаления части материала).
В процессе обучения необходимо не абсолютизировать 3D-сканирование как метод, «позволяющий в несколько раз сократить время, затрачиваемое на создание модели», поскольку не учитывается возможность изменения и / или корректировки полученной модели, а понятие «параметризованная модель» отсутствует как таковое.
Наглядным примером сравнительного анализа использования субтрактивных и аддитивных технологий является лабораторная работа «Синий махаон» (Синий махаон – так часто называют самую крупную дневную бабочку России). В данной лабораторной работе реализация декоративного изделия «Синий махаон» рассмотрена в последовательности:
- изучение биологического прототипа декоративного изделия – дневной бабочки Синий махаон;
- изучение сборной деревянной модели «Бабочка»;
- построение 3D-модели в CAD / CAM / CAPP-системе ADEM 9.0;
- создание техпроцесса для изготовления деталей на фрезерном станке RH‑200;
- сохранение 3D-модели в формате STL;
- импорт файла в формате gcode в программное обеспечение Repetier-Host, управляющее 3D-принтером Magnum Education;
- 3D-печать декоративного изделия.
Вне зависимости от выбора способа реализации изделия в материале (аддитивными или субтрактивными методами) первостепенная задача – это создание 3D-модели в CAD / CAM-системе с возможностью проверить корректность построения (все ли образующие тело поверхности замкнуты, является ли тело единым объектом и т. д.). Сборная модель бабочки и раскладка плоских деталей для построения техпроцесса изготовления изделия представлены на следующих скриншотах (рис. 3).
Изготовление изделия из разных заготовок на основании одной и той же модели позволяет учащимся на практике познать различия свойств материалов и областей их применения. Модель рассчитана на толщину материала 3 мм, однако из фанеры и оргстекла этой толщины получаются совершенно разные изделия. Соответственно, при сборке деталей, вырезанных из фанеры, мы получим деревянную бабочку, которая впоследствии может быть художественно расписана, а из оргстекла – прозрачную бабочку как, например, декоративный компонент ночника.
Используя уже построенные контуры деталей бабочки, можно создать модель для реализации другого декоративного изделия – брошки или заколки. В этом случае изготовление декоративного изделия «Синий махаон» осуществляется с применением аддитивных технологий на 3D-принтере Magnum Education, который использует технологию послойного наплавления материала (FDM). Рабочее поле 230 × 210 мм; высота области печати – 235 мм; экструдер с выходным диаметром сопла 0,3 мм. На рис. 4 представлены этапы преобразования ранее построенных контуров сборной конструкции в модель нового изделия.
В соответствии с санитарными нормами на уроках в учреждениях общего и дополнительного образования разрешается использовать только один вид пластика – полилактид (PLA). Это биосовместимый материал, нетоксичный при нагреве, не имеющий резкого запаха и безопасный в использовании. Материал поставляется на катушках, имеет 16 базовых цветов, однако полная палитра возможных оттенков достаточно велика, в том числе есть полупрозрачные и прозрачные PLA.
Наиболее органичным переходом от плоско-объемного моделирования к темам создания моделей сложных форм является работа с телами вращения. Одна из классических задач – это моделирование и изготовление шахматных фигур, ее решение также преставлено в виде лабораторной работы, которая выполняется с проведением сравнительного анализа применения субтрактивных и аддитивных технологий.
Методы создания изделий рассматриваются с обязательным сравнением трудозатрат, необходимости дополнительных построений и / или оснастки и крепежа, полученный результат оценивается с точки зрения технологической точности и эстетической привлекательности.
Проактивная демонстрация аддитивных технологий требует выбора таких изделий, которые сложно или невозможно изготовить иными. К такому типу относятся изделия с отрицательным уклоном поверхности, рельефной боковой поверхностью или гибкие конструкции.
Удачным примером, сочетающим все перечисленные преимущества аддитивных технологий, являются новогодние украшения. Елочные шары могут быть как причудливо ажурными, так и представлять собой полую сферу с тематическим рельефом по выбору учащегося. И в том и в другом случае интересен как процесс моделирования, так и процесс подбора параметров слайсера для того, чтобы геометрия изделий не искажалась при 3D-печати.
Обсуждение специалистами учреждений образования различных уровней предлагаемых лабораторных работ приводит к стимулированию разработки методических материалов по данной тематике, что в свою очередь проявляется увеличением количества и повышением качества конкурсных работ учащихся и их педагогов, принимающих участие в ежегодном открытом региональном конкурсе «Инженерная компьютерная графика и применение ее в производстве».
Автор
Дарьина Лариса Юрьевна –
генеральный директор ООО «ЛД-Факториал»
Отзывы читателей
