Методические особенности изучения Компас 3D в средней школе. Разработать серию уроков по Компас 3D

ВВЕДЕНИЕ

Федеральный компонент государственного стандарта общего образо-вания, разработанный в соответствии с Законом Российской Федерации “Об образовании” (ст. 7) и Концепцией модернизации российского образования на период до 2020 года нацелен на реализацию практического и теоретиче-ского компонентов теории моделирования пространственных объектов средствами трёхмерной компьютерной графики в рамках школьного курса информатики и информационных технологий. 3D графика находит свое применение в разнообразных отраслях человеческой деятельности, к при-меру, в архитектуре и машиностроении при проектировании сооружений, машин, разработки интерьеров [1, с28]. Трудно представить современного инженера, который бы не умел пользоваться возможностями трехмерного моделирования. Необходимые навыки использования 3D моделирования, как правило, приобретаются при обучении в ВУЗе или ССУЗе. Необходимо понимать, что современное общество предъявляет высокие требования к уровню подготовки человека, который только начинает свой профессио-нальный путь в сферах деятельности, связанных, в том числе, и с компью-терными технологиями [2, с. 31].
В рамках профориентационной работы, проводимой в школе, учащи-еся получают возможность принять участие в различных мероприятиях: мастер классах, семинарах, тестировании, а также в программе Juniorskills, в рамках которой они могут познакомиться и попробовать свои силы и навыки в различных профессиях или сферах деятельности, например, та-ких, как инженер, оператор станков с ЧПУ и др. Востребованность специа-листов инженерных специальностей на рынке труда позволяет говорить об актуальности более детального обучения трёхмерному моделированию в рамках профильной школы. Обучение компьютерному моделированию предусматривалось в рамках предмета информатика уже на начальном эта-пе его введения в школьную программу.
Титовой разработана методика обучения моделированию и описано содержание обучения этому разделу, а именно: определение объекта моде-лирования, определение понятия модель, система, схема этапов моделиро-вания, объект, и др. Ю.Ф. Титовой разработана методика обучения двумер-ной компьютерной графике для учащихся основной школы. Разработкой дополнительных курсов и программ обучения в области компьютерной графики и компьютерного моделирования в старших классах профильной школы занимались М.Ю. Монахов, JI.A. Залогова, Г.Е. Монахова, C.JI. Со-лодов, A.B. Копыльцов, Е.К. Хеннер..И.Г. Семакин. В.В. Александрова ра-ботала над методикой обучения трёхмерному моделированию с использо-ванием конечного набора базовых форм для условий дополнительного об-разования.
Цель исследования –изучение методических особенностей препода-вания Компас 3D в средней школе. Разработка серии уроков по Компас 3D
Объектом исследования выступает процесс обучения школьников применению трёхмерного компьютерного моделирования в различных сферах деятельности на уроках в профильной школе.
Предметом исследования является методика обучения трёхмерному компьютерному моделированию в курсе информатики и информационных технологий профильной школы.
Проблема и цель исследования обусловили необходимость решения следующих задач:
- изучить теоретические основы применения трёхмерного компью-терного моделирования в образовательном процессе средней школы.
- рассмотреть основные определения и понятия.
- изучить особенности обучения в классе информационно-технологического профиля.
- рассмотреть возможности применения КОМПАС 3D на уроках ин-форматики и технологии. 
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
ТРЁХМЕРНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ОБРА-ЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ.
1.1 Основные определения и понятия


Модель и моделирование — это универсальные понятия, атрибуты одного из наиболее мощных методов познания в любой области, системе познания, процессе, явлении [3, c. 64]. В теории моделирования сложилась система понятий объект, модель и отношений между этими понятиями. При определении понятий, авторы опираются на свои исследования, по-ставленные цели и задачи. В приведенных ими определениях ставится упор на определенные свойства определяемого объекта, в следствии чего появ-ляются различные определения одного и того же понятия [4, c 52-54]. Рас-смотрим ряд предлагаемых в литературе определений вышеуказанных по-нятий.
Под объектом понимается любой предмет, процесс, явление матери-ального или нематериального свойства [5, с. 48].
Модель, по определению Кондакова Н.И. - искусственно созданный объект в виде схемы, чертежа, логико-математических знаковых формул, физической конструкции и т.п., который, будучи аналогичен исследуемому объекту, отображает и воспроизводит в более простом, упрощенном виде структуру, свойства, взаимосвязи и отношения между элементами исследу-емого объекта, непосредственное изучение которого связано с какими- ли-бо трудностями, существенными затратами средств и энергии или просто недоступно, и тем самым облегчает процесс получения информации об ин-тересующем нас предмете [6, с.17]. Исследуемый объект, по отношению к которому изготавливается модель, называется оригиналом, образцом. [7, с. 15¬18].
Автор Фридман Л.М. указывает на схожесть модели и оригинала, но лишь «в каком-то отношении». Он считает, что модель всегда отлична от оригинала [8, с. 18-22].
Модель описывается им как некий объект (система), исследование ко-торого служит средством для получения знаний о другом объекте (ориги-нале) [8, с. 23]. Фридман Л.М. дает определение модели в «широком» смысле [8, с. 25 -26]:
В литературе также встречается и такое определение модели: «мо-дель - это реально существующая или мысленно представляемая система объектов познавательной деятельности, включающей мысленную перера-ботку исходного материала, которая строится и используется субъектом в силу соответствия её другой системе — оригиналу, как средство управле-ния и получения информации об оригинале». [9, с. 10]
Модель — объект или описание объекта, системы для замещения од-ной системы (т. е. оригинала) другой системой для изучения оригинала или воспроизведения каких-либо его свойств. Любая модель строится и иссле-дуется при определенных допущениях, гипотезах. Модель — результат отображения одной структуры на другую. Отобразив физическую систему (объект) на математическую систему (например, математический аппарат уравнений), получим физико-математическую модель системы, или мате-матическую модель физической системы. [10, с. 35]
Термин «компьютерная графическая модель» говорит о том, что от-ражение свойств объекта-оригинала осуществляется посредством компью-терной графики, т.е. в наименовании модели виден способ ее построения и реализации. Подобные модели как наиболее наглядные широко применя-ются в практике 3D моделирования. [2, c.12]
Теоретической основой компьютерного моделирования служат мето-ды построения подобных моделей, которые разрабатываются несколько ве-ков:
1. Евклидова геометрия, построения с помощью циркуля и линей-ки.
2. Аналитическая геометрия, применение алгебраических методов в геометрии.
3. Начертательная геометрия, проективная геометрия.
4. Вычислительная геометрия (с 70-х годов XX века): разработка теории и прикладных методов геометрического моделирования на основе сплайн-функций, методов сплайн-аппроксимации трехмерных поверхно-стей.
Таким образом, современное 3D моделирование, основанное на ком-пьютерных технологиях, разрабатывает собственные методы, базируется на аналитической и дифференциальной геометрии, вычислительной математи-ке, вариационном исчислении и топологии.
Из множества вариантов компьютерных 3D моделей рассмотрим один, который имеет особую актуальность - отображение трехмерных объ-ектов на плоской поверхности.
Еще задолго до появления компьютеров подобные задачи решались на основе законов перспективы и проекционного черчения. На базе точной геометрической интерпретации этих законов родилась целая техническая наука
- начертательная геометрия. Однако, и картина художника, и чертеж инженера дают статичное и одностороннее отображение объекта, с которым невозможно производить преобразования и различные манипуля-ции.
В практической деятельности человек имеет дело с трехмерными объектами, для описания которых он вынужден был строить модели на плоской поверхности. Основной недостаток традиционного двумерного изображения (например, чертежа), состоит в том, что конструктор вынуж-ден использовать проекции трехмерного объекта на базовые ортогональные плоскости. Ограничение двумерных графических моделей особо проявля-ются, когда поверхность детали обладают сложной криволинейной фор-мой. Трудности восприятия по чертежу формы, взаимодействия и взаимно-го расположения различных деталей механизма в рамках двумерных гра-фических моделей неустранимы.
Исторически, возможности компьютерного 3D моделирования пре-терпели существенные изменения, прежде чем они сравнялись с возможно-стями обычного рисунка или чертежа. Достаточно сказать, что первона-чально отображение даже двумерных объектов (графиков, диаграмм и т.п.) производилось с помощью символов алфавита.
На современном этапе развития информационных технологий модели трехмерных объектов по принципу их построения можно разделить на три вида: каркасные модели; поверхностные модели; твердотельные (сплош-ные) модели.

1.2 Цели и задачи в графическом образовании

Цель графического образования конкретизируется в ос­новных зада-чах:
• в формировании представлений о графических средствах (языковых, неязыковых, ручных, компьютерных) отоб­ражения, создания, хранения, передачи и обработки информации;
• в изучении и овладении методами, способами, средствами отобра-жения и чтения информации, используемыми в различных видах деятель-ности;
• в развитии пространственного воображения и пространственных представлений (статических, динамических), образного, пространственного, логического, абстрактного мышления;
• в формировании умений применять геометро-графические знания и умения в новых ситуациях для решения различных прикладных задач;
• в обучении чтению и выполнении чертежей (эскизов), аксонометри-ческих проекций, технических рисунков, схем изделий различного назначе-ния;
• в ознакомлении с содержанием и последовательностью этапов проектной деятельности в области технического и художественного кон-струирования;
• в формировании и развитии эстетического вкуса;
• в овладении компьютерными технологиями для получения графи-ческих изображений;
• в обучении самостоятельной работе со справочными материалами.
Черчение сегодня — предмет, наделенный множеством функций, ос-новными из которых являются:
• коммуникативная направленность предмета, требующая введения нового материала, систематизирующего представления школьников о раз-личных графических системах представления информации;
• культурологическая направленность предмета, обеспе­чивающая формирование представлений о графическом языке как синтетическом язы-ке, имеющем различные сис­темы отображения информации (изобрази-тельную, знако­вую) о трехмерных объектах, его зарождении, развитии и месте среди других языков, созданных мировой культурой;
• лингвистическая направленность, требующая введения новых зна-ний о структурных единицах графического языка, об отображаемой, неото-бражаемой и условно отобра­жаемой информации на чертежах;
• проблемно-ориентированная направленность, позволя­ющая ознакомить школьников с элементами проектирова­ния, конструирова-ния, моделирования;
• профессионально ориентированная направленность курса, раскры-вающая применение графических знаний в науке, технике, производстве, дизайне, архитектуре, экономике и других областях деятельности, а также показывающая значение графических знаний и умений в информационном мире;
• информационная направленность, обеспечивающая знакомство с компьютерной графикой, а также расширяющая представления школьни-ков о способах (ручном, компьютерном) отображения, хранения и переда-чи графической информации;
• развивающая направленность, заключающаяся в общем развитии личности, мыслительных процессов, творческого начала.

1.3 Создание каркасных моделей

Каркасная модель трехмерного геометрического объекта полностью описывается в терминах точек и линий. Элементами модели объекта явля-ются линии (ребра) и точки (вершины). Подобный вид моделирования дав-но известен в черчении - это аксонометрическая проекция, которая непо-средственно связана с прямоугольным проецированием при построении чертежа.
Каркасное моделирование - это моделирование трехмерных объектов самого низкого уровня. По своей сути оно является воспроизведением средствами компьютерной графики технологий трехмерного моделирова-ния, которые были разработаны для черчения на бумаге.
Поверхностное моделирование трехмерных объектов связано с ис-пользованием точек, линий и поверхностей как графических примитивов. Исходным продуктом подобного моделирования является некоторая обо-лочка, которая описывает поверхность моделируемого объекта.
В поверхностном моделировании создаются и модифицируются по-верхности, описывающие отдельные элементы объекта. Эти поверхности обрезают по линиям пересечения, сопрягают друг с другом и т.п.
Метод поверхностного моделирования, будет наиболее эффективен для объектов, которые изготавливаются из листового материала или имеют