Моделирование процесса обучения студентов общетехническим дисциплинам в учебно-информационной среде (на примере курса «Основы технологии машиностроения»)

В настоящее время перед инженерным образованием в целом и перед конструкторско-технологическим в частности стоит задача повышения эффективности и качества обучения. Одними из основных направлений совершенствования подготовки инженеров конструкторско-технологического профиля являются информатизация, фундаментальность и профессиональная направленность обучения в вузе.

Государственным образовательным стандартом специальностей конструкторско-технологического направления,в том числе 120100 «Технология машиностроения»; 120200 «Металлорежущие станки и инструменты»; 121300 «Инструментальные системы интегрированных машиностроительных производств», в дисциплинах различных циклов предусмотрены многочисленные темы и разделы, связанные с алгоритмизацией расчетов, моделированием и проектированием технологических процессов, реализуемых компьютерными средствами. Базовые знания для этих информационных направлений закладываются в курсах «Информатика», «Информационное моделирование» и «Компьютерное проектирование». Проблемы формирования содержания и методики преподавания данных дисциплин исследовались С. А. Бешенковым, А. А. Кузнецовым, В. В. Лаптевым, И. П. Норенковым и др. Указанные ключевые для инженерных специальностей информационные направления должны развиваться и реализо ваться в других дисциплинах различных циклов в виде информационно-профессиональных задач и заданий. В качестве связующего звена между естественнонаучным и специальным циклами выступает блок общетехнических дисциплин, среди которых курс «Основы технологии машиностроения» (ОТМ) является базовым конструкторско-технологическим предметом для машиностроительных специальностей. В его содержании, как и в содержании ряда других дисциплин общетехнического цикла большинства инженерных направлений, присутствуют «сквозные» информационно-профессиональные линии (алгоритмизация расчетов, моделирование процессов, проектирование технологий изготовления изделий). Для комплексной реализации задач, охватывающих эти информационнопрофессиональные направления, необходима взаимосвязанная совокупность фундаментальной, профессионально направленной и информационной подготовки.

Вопросы преподавания общетехнических дисциплин рассматриваются в научно-методических трудах А. А. Измайловой, А. Н. Богатырева, Э. В. Майкова, Л. А. Найдиш, Г. И. Шабанова и др. Вместе с тем исследований, посвященных разработке модели методической системы обучения студентов вузов конструкторско-технологического направления дисциплине ОТМ, обеспечивающей преемственность фундаментальных, профессионально направленных

и информационных знаний и умений, до сих пор нет.

Проведенный нами констатирующий эксперимент был посвящен диагностике состояния проблемы и опыта информационного и конструкторско-технологического обучения студентов машиностроительных специальностей вузов. При этом использовались беседы и анкетирование студентов и преподавателей различных циклов дисциплин.

Эксперимент показал, что:

• 1)    алгоритмические, модельные и проектно-технологические знания и умения, полученные в информационных дисциплинах, не имеют комплексного развития в дисциплинах учебного плана, что не позволяет выпускнику сформировать информационно-профессиональную компетентность, необходимую для быстрой адаптации молодого специалиста на высокотехнологичных предприятиях;

• 2)    большинство студентов не могут выделить и структурировать в алгоритм учебно-предметные информационные составляющие для компьютерного решения конструкторско-технологических задач;

• 3)    большинство студентов не видят связи между учебным материалом естественно-научных дисциплин (физика, математика, теоретическая механика и т. д.) и учебным материалом общетехнических и специальных дисциплин (основы технологии машиностроения, детали машин и основы конструирования, системы автоматизированного проектирования, гибкие автоматизированные комплексы и т. д.);

• 4)    практически отсутствуют курсы неинформационного блока с информационно-профессиональным содержанием, обладающие преемственностью, межпредметными и внутрипредметными взаимосвязями через информационные составляющие.

Таким образом, существует противоречие между имеющимися задачами повышения качества подготовки будущих инженеров-технологов и отсутствием модели методической системы обучения ОТМ в учебно-информационной среде (УИС), которая характеризовалась бы наличием широкого спектра информации по циклам дисциплин, межпредметной и внутрипредметной взаимосвязью, фундаментальностью, преемственностью и профессиональной направленностью. Данное противоречие делает актуальными задачи теоретического обоснования и создания модели методической системы обучения студентов машиностроительных вузов курсу ОТМ в УИС, разработки методики ее практической реализации.

В ходе исследования была сформулирована следующая гипотеза: если модель методической системы обучения дисциплины ОТМ будет сформирована в УИС, обеспечивающей взаимосвязь фундаментальных, профессионально направленных и информационных знаний дисциплин учебного плана, то это позволит улучшить качество подготовки студентов машиностроительных специальностей вузов и тем самым выполнить квалификационные требования, предъявляемые к инженерам-технологам современными машиностроительными предприятиями.

Для решения обозначенных проблем были исследованы основные направления современной информационно-технологической подготовки студентов машиностроительных вузов. Анализ показал, что для данных инженерных специальностей требуется интегрированная модель методической системы обучения ОТМ в УИС с опорой на широкий спектр естественно-научных, специальных и информационных знаний.

При построении иерархической структуры УИС применительно к обучению студентов машиностроительного направления были использованы теоретические и методические положения по созданию комплексной информационно-образовательной базы, высказанные Г. И. Шабановым [1]. Типовые подсистемы, формирующие сквозные информационные линии, показаны на рис. 1.

На учебно-пропедевтическом уровне формируются базовые информационные знания, реализуемые в дисциплинах естественно-научного цикла в виде компьютерных демонстраций фундаментальных законов и явлений как основы тех- нических теорий и положений; изучаются расчетные естественно-научные методики, методы их трансформации в алгоритмы решения задач на примере про фессиональных объектов; формируется информационно-терминологический базис для перехода к следующему циклу дисциплин.

Р и с. 1. Типовые блоки, формирующие сквозные информационные линии в УИС

На учебно-исследовательском этапе с учетом естественно-научных знаний предыдущего уровня осуществляется освоение методов моделирования и анализа технологических процессов изготовления изделий. Формируется инженерное мышление, при котором студент конструкторско-технологической специальности представляет ожидаемый результат работы и вариативным исследовательским путем достигает его.

На учебно-проектном уровне с учетом знаний предыдущих уровней осуществляется освоение методов автоматизации конструирования и проектирования оптимальных технологических процессов с необходимыми производственно-экономическими показателями.

Методика формирования информационных линий при обучении ОТМ в УИС представлена на рис. 2.

Данную иерархическую структуру целесообразно дополнить уровнем информационно-профессиональной компетентности, которая формируется как предыдущими уровнями, так и в процессе выполнения курсовых и дипломных проектов и прохождения практик (технологической, производственной), предусмотренных учебным планом. Полная структура УИС, включающая все четыре уровня, которые отражают взаимосвязь циклов дисциплин с учетом принципов фундаментальности, профессиональной направленности и непрерывности информационного обучения, показана на рис. 3.

Информационно-профессиональные линии курса ОТМ в УИС I

Учебно-пропедевтический уровень

Подбор алгоритмов для расчета параметров технологических процессов; выбор в архиве базы данных материалов и оборудования и других средств технологического оснащения и автоматизации для реализации производственных и технологических процессов; изучение программ, реализующих методики стандартизации и сертификации технологических процессов, средств технологического оснащения и автоматизации выпускаемой продукции

♦                      Учебно-исследовательский уровень

Создание математических и физических моделей процессов и систем, средств автоматизации и управления; планирование эксперимента и использование компьютерных методик математической обработки результатов; использование информационных технологий и технических средств при моделировании новых технологий и изделий машиностроения

Учебно-проектный уровень

Проведение предпроектных исследований, формулирование целей проекта, задач при выданных критериях, целевых функциях и ограничениях, построение структуры их взаимосвязей, выявление приоритетов решения задач с учетом нравственных аспектов деятельности, разработка обобщенных вариантов решения проблем, анализ вариантов и выбор оптимального, прогнозирование последствий, нахождение компромиссных решений в условиях многокритериальности, неопределенности.

Разработка проектов изделий в среде CAD/CAM/CAE-систем с учетом механических, технологических, конструкторских и эксплуатационных параметров

Р и с. 2. Информационно-профессиональные линии курса ОТМ

Данная схема положена в основу модели методической системы обучения студентов машиностроительных вузов ОТМ (рис. 4).

В ходе исследования разработана структура учебно-методического комплекса (УМК) для проведения информационно-профессионального обучения курса ОТМ в УИС. В него включены четыре блока средств обучения: учебнометодический (учебные пособия, лабораторные практикумы, рабочие программы, методические рекомендации, система заданий на карточках и в электронной форме), программный (программные педагогические средства, программы для реализации инженерных методик, программно-моделирующие системы, автоматизированные системы проектирования), интегрированный (электронные конструкторы; учебные роботы, управляемые компьютером;

учебные демонстрационные макеты технических объектов, сопрягаемые с компьютером), учебно-иллюстративный (плакаты, графики, схемы, чертежи). Все элементы УМК направлены на решение задачи повышения качества обучения.

Для оценки эффективности обучения студентов вузов конструкторско-технологического направления основам ОТМ был проведен педагогический эксперимент. Он включал три этапа: констатирующий, поисковый и обучающий. В педагогическом эксперименте участвовали студенты и преподаватели (естественно-научного, общетехнического и специального образовательных циклов) технических специальностей вузов.

В результате констатирующего этапа эксперимента была обоснована актуальность темы исследования.

Принципы непрерывности информационного и профессионального обучения

Р и с. 3. Схема обучения студентов машиностроительных вузов в УИС

Система заданий в форме методик и алгоритмов

Сборники задач и заданий для компьютерной реализации алгоритмов, моделей и проектов технологий машиностроения

Р и с. 4. Модель методической системы обучения студентов технических вузов ОТМ в УИС

Поисковый этап проводился в нескольких направлениях:

• —    определение требований к содержанию курса ОТМ при обучении студентов вузов в УИС с учетом естественнонаучного и профессионально-направленного материала;

• —    определение содержания и программ по ОТМ при обучении в УИС;

• —    задания к курсовым и лабораторным работам;

• —    частичная их апробация в ходе лабораторного эксперимента.

На обучающем этапе эксперимента проверялась гипотеза исследования и модель методической системы обучения ОТМ в УИС и оценивались: эффективность применения алгоритмических, модельных и проектно-конструкторских знаний при решении инженерных задач по ОТМ; эффективность формирования у студентов практических умений приме нения алгоритмических, модельных и проектных знаний с учетом фундаментальности и профессиональной направленности знаний по ОТМ; эффективность применения информационно-профессиональных знаний и умений при выполнении студентами машиностроительных специальностей курсовых и дипломных проектов.

В результате проведенного педагогического эксперимента получены данные, свидетельствующие об эффективности обучения ОТМ студентов конструкторско-технологического направления в УИС.

СПИСОК

ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шабанов, Г. И. Модель обучения общетехническим дисциплинам на комплексной информационно-образовательной базе при подготовке инженерных кадров / Г. И. Шабанов // Интеграция образования. — 2005. — № 3. - С. 43—50.

Поступила 12.02.10.