Подготовка IT-специалистов по конструированию изделий в рамках федерального проекта «Цифровые кафедры»

В 2023/24 учебном году кафедра инженерной и компьютерной графики Южно-Уральского государственного университета принимала участие в проекте «Цифровые кафедры». Проект «Цифровые кафедры» является составной частью программы «Приоритет-2030», которая направлена на получение обучающимися дополнительной квалификации по IТ-профилю в рамках реализации совместного проекта Министерства науки и высшего образования и Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации. В проекте принимают участие 115 вузов из 50 регионов России, это составляет более 18 % от количества всех институтов РФ. Только в ЮУрГУ параллельно с основным профилем обучения по направлениям цифровой кафедры проходили обучение 1556 студентов по 38 программам. Программы обучения разрабатывались совместно с предприятиями-партнерами из IT-отрасли и реального сектора экономики.

Целью проекта является обеспечение приоритетных отраслей экономики высококвалифицированными кадрами, обладающими современными цифровыми компетенциями. Ускоренная информатизация производства за счет интеграции цифровых решений позволит значительно повысить производительность труда и сформировать дополнительные точки роста объема производства. За счет приобретения новой квалификации в области информационных технологий каждый студент, обучающийся в проекте, получает множество преимуществ, обеспечивающих свободу выбора в своей профессиональной жизни и быстрый карьерный рост. Для студентов появилась уникальная возможность получить IT-компетенцию в рамках основной учебы и улучшить свою позицию на рынке труда.

Цифровизация вошла в нашу жизнь в конце 90-х годов. Именно в это время современные цифровые технологии начали широко внедряться в различные сферы жизни и производства. В 2008 году началось активное продвижение высокоскоростного Интернета по всей стране. Цифровые решения позволили автоматизировать производство, сделали возможным применение новейших технологий и бизнес-проектов во всех сферах нашей жизни – от финансов и бизнеса до повседневного быта и государственного управления. Сегодня наш мир, независимо от нашего желания, становится цифровым. Новые технологии окружают нашу жизнь, начиная от социальных сетей и систем GPS до искусственного интеллекта и цифровых двойников, изменяют нашу планету и делают ее неузнаваемой в течение короткого промежутка времени. Главным преимуществом цифровизации является то, что она помогает бизнесу стать более эффективным и продуктивным. По окончании проекта студенты не обязательно будут заниматься программированием и разработкой программного обеспечения, полученные ими цифровые компетенции обеспечат им способность работать в цифровой среде творчески, критически и без посторонней помощи.

Основные этапы обучения

На кафедре инженерной и компьютерной графики обучались студенты IT-направлений по программе «Конструирование изделий машиностроения с применением трехмерного моделирования в программе Компас-3D». В программе участвовало 26 студентов технических направлений бакалавриата 2–4-х курсов. Занятия вели преподаватели кафедры, имеющие опыт научноисследовательской и научно-методической деятельности.

Для определения уровня развития цифровых компетенций у обучающихся организаторами проекта на платформе университета «Иннополис» проводился ассесмент в 3 этапа. Первый ассесмент был проведен на этапе зачисления, второй – спустя 3 месяца после начала обучения, третий – по завершении обучения. Ассесмент включал в себя более 40 тестов и кейсовых заданий по профилю выбранного направления. Прохождение трёх этапов ассесмента является обязательным условием допуска к итоговой аттестации. Наши слушатели без проблем прошли 3 этапа ассесмента, каждый раз с улучшенным результатом.

Обучение слушателей проходило очно и дистанционно по следующим предметам: базовая компьютерно-графическая подготовка в программе Компас-3D, теоретический курс по изучению стандартов ЕСКД, изучались научные основы примене- ния кривых второго порядка для конструирования поверхностей, а также основы программирования и введение языка C# на платформе .NET.

Графическая подготовкав программе Компас-3D

Этот курс отражает тенденции геометрического моделирования и проектирования, заключающиеся в изучении основ компьютерного геометрического моделирования на базе пакета Компас 3Д применительно к задачам инженерной сферы деятельности [1–4]. Для того чтобы заинтересовать студентов и быстрее изучить интерфейс программы, обучающимся были предложено построить 3D-модели различных бытовых изделий.

Студенты выполнили задание курса: построение сборочного чертежа реального технического изделия по 3D-технологии с учетом основных стандартов ЕСКД [5–7].

Задание состояло в построении 3D-модели сборочного узла, состоящего из 30–40 деталей. Каждый студент выполнял свой вариант. Студенты получили чертежи деталей, входящих в сборочный узел, по которым они построили 3D-модель каждой детали в отдельном файле. Затем они создали 3D-модель сборочной единицы по чертежу общего вида (рис. 1).

Заключительным этапом задания является построение сборочного чертежа изделия и составление спецификации средствами программы Компас-3D (рис. 2).

Рис. 1. Пример выполнения 3D-модели

Рис. 2. Пример выполнения сборочного чертежа

Изучение стандартов ЕСКД

Параллельно с очными практическими занятиями по конструированию изделий машиностроения в программе Компас-3D обучающиеся изучали основные стандарты Единой системы конструкторской документации дистанционно в виде лекций и практических занятий на платформе СДО (ЮУрГУ). Были изучены основные требования по оформлению чертежей изделий машиностроения, примеры их выполнения, необходимый справочный материал. Независимо от того, выполнен чертеж вручную по 2D-технологии или в компьютерной программе, любая конструкторская документация должна быть оформлена технически грамотно в соответствии со стандартами. Обучающиеся не всегда оценивают грамотность в компьютерных чертежах, считают, что компьютер сам автоматически выполнит работу. К сожалению, компьютер пока может отразить только то, что задумает конструктор. Поэтому изучению ГОСТов ЕСКД по оформлению чертежей и любой конструкторской документации обязательно нужно уделить внимание [8–11]. Для закрепления изученного материала в конце каждого занятия студенты выполняли тестирование.

Основы программирования

В реализации учебной нагрузки примерно 20 % было уделено изучению основ программирования на платформе .NET. Были рассмотрены основные концепции программирования, история и цели разработки языка C#, установка и настройка среды разработки, работа с файлами и потоками данных**, чтение и запись файлов, создана презентация результатов проектной работы. Занятия проходили дистанционно посредством видеолекций и практических занятий на платформе СДО (ЮУрГУ), вел занятия внешний специалист IT-компании с опытом работы не менее 3 лет.

Научное направление

Особое внимание в учебной программе было уделено научным направлениям по изучению применения кривых второго порядка для конст- руирования поверхностей. В современном производстве широко применяются криволинейные формы и плавные природоподобные кривые [12– 16]. Построение внешних форм изделий посредством кривых линий реализуется на основе новейших вычислительных технологий и параметрических методов цифрового моделирования, заимствованных из авиационной и автомобильной промышленности. При практическом построении графической кривой контура изделия ее заменяли (аппроксимировали) некоторой закономерной кривой с погрешностью аппроксимации не более 1–2 %. Строили искомую закономерную кривую по узловым точкам, которые являются точками касания наперед заданных направляющих векторов. Эти направляющие векторы служат элементами управления формой конструируемой кривой. Геометрическая гладкость второго порядка кривой в узловых точках создается непрерывностью наклона векторов и кривизной. При этом обязательно обеспечивается непрерывное изменение угла наклона и кривизны составной кривой.

Учет направления касательных векторов и радиусов кривизны в узловых точках является отличительной особенностью данного алгоритма построения любой графической кривой. Студенты успешно выполнили графические задания по предмету (рис. 3).

Производственная практика

Прохождение практики на предприятиях реального сектора экономики – обязательный элемент обучения на проекте «Цифровые кафедры». Наши студенты проходили производственную практику на предприятии АО «НПО «Электромашина». Студенты ознакомились с продукцией, выпускаемой на предприятии, и получили практическое задание по конструированию 3D-модели и разработке промышленного дизайна зарядных станций для электромобилей.

Элементы графического дизайна студенты изучали на специальном курсе «Промышленный дизайн» в программе Аrtisan Rendering пакета

Рис. 3. Поверхность Безье на фиксированном четырехугольном каркасе: а – характеристический многогранник; б – вогнутая поверхность;

в – выпуклая поверхность

Рис. 4. Пример разработки промышленного дизайна зарядных станций для электромобилей (работа студента)

Компас-3D. В процессе обучения слушатели изучали элементы дизайн-проектирования, основы композиции, получили прикладные навыки выполнения эскизов предметов промышленного и предметного дизайна. Выполнили задание по прототипированию внешнего вида зарядных станций для электромобилей, один из вариантов станции представлен на рис. 4.

Итоговый проект

Итоговым заданием программы являлся технический проект в программе Компас-3D, заключающийся в выполнении сборочного чертежа изделия, состоящего из 12–18 деталей, по его аксонометрическому изображению, описанию работы, последовательности сборки, перечню стандартных изделий (без чертежей) и чертежам деталей, входящих в состав этого изделия [17–20].

Проект нацелен на формирование цифровых компетенций в области создания 3D-модели сборочной единицы, приобретения навыка конструирования деталей и узлов машин общего назначения, электронного оформления чертежей и конструкторской документации в соответствии со стандартами ЕСКД. При выполнении проекта обучающиеся показывают навыки самостоятельной творческой работы в цифровой среде по проектированию и моделированию стандартных и нормализованных деталей и узлов, конструктивных элементов в соответствии с общетехническими нормами проектирования.

Проектное решение должно отвечать критериям актуальности, законченности, а также воз- можности интеграции его компонентов в иные системы и сервисы.

Итоговая аттестация

Итоговая аттестация проводилась с участием представителей организации АО «НПО «Электромашина», где обучающиеся проходили практику, а также преподавателей, участвующих в процессе обучения. Защита выпускной квалификационной работы проходила в публичной форме, обучающиеся представляли презентацию разработанного цифрового проекта, а также перечень решаемых ими проблем и эффектов, ожидаемых от его внедрения в отрасль. Особое внимание уделялось решению практической задачи по дизайн-проекту электрической станции.

Заключение

• 1.    На кафедре инженерной и компьютерной графики ЮУрГУ накоплен положительный опыт компьютерно-графической подготовки по конструированию изделий машиностроения с применением трехмерного моделирования в программе Компас-3D.

• 2.    Обучение студентов по программе, ориентированной на 3D-моделирование, способствует активизации перехода на новые методы проектирования в будущей практической деятельности, повышает конкурентоспособность выпускников ЮУрГУ на современном рынке труда, предоставляет им возможность развить IT-компетенции, необходимые для успешного участия в цифровой трансформации национальной экономики.