3D-ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАНИИ

3D – TECHNOLOGIES IN EDUCATION

Rustam B. Samigullov

student, Department of Information Systems and Computer Engineering,  Kokshetau State University of Shokan Ualikhanov

Kazakhstan. Kokshetau

Saule K. Damekova

candidate of pedagogical Sciences, Head of the Department of physics and mathematics. Kokshetau State University of Shokan Ualikhanov

Kazakhstan. Kokshetau

АННОТАЦИЯ

В статье представлены рекомендации по обучению и внедрению 3D-технологий в образование, а также скриншоты возможностей трехмерного моделирования. В основной части статьи описаны функции и учебные задачи, которые могут решать преподаватель и учащийся при использовании трехмерных технологий. В завершающей части статьи описаны примеры реализованных проектов  за рубежом.

ABSTRACT

The article provides recommendations on teaching and implementing 3D technologies in education, as well as screenshots of the capabilities of three-dimensional modeling. The main part of the article describes the functions and educational tasks that a teacher and a student can solve when using three-dimensional technologies. The final part of the article describes examples of completed projects abroad.

Ключевые слова: 3D моделирование; 3D – технологии в образовании; Образование.

Keywords: 3D modeling; 3D – technology in education; Education.

3D-технологии значительно упрощают производственные, научные и образовательные процессы, благодаря чему они получили широкое распространение во всем мире. Программы, обучающие трехмерному проектированию и печати, сегодня успешно внедряют как в школах, так и в высших специализированных учебных заведениях.

Изучение 3D технологий обусловлено практически повсеместным использованием трехмерной графики в различных сферах деятельности, знание которой становится все более значимым для полноценного развития личности.

Использование 3D (трёхмерных) моделей реальных предметов – это важное средство для сообщения информации, которое может существенно повысить эффективность обучения, кроме этого может служить отличной иллюстрацией при проведении докладов и презентаций. Трехмерные модели – это обязательный элемент проектирования современных транспортных средств, интерьеров, архитектурных моделей и т.д. «Исследования в этом направлении выполнены авторам Дейнеко А.С. в статье Внедрение 3D моделирования в учебный процесс» 2018г. [1]. Теоретическая и практическая значимость данной работы определяется тем, что результаты могут быть использованы на предметах информатики, математики, геометрии, черчении и классных часах, а также для широкого круга читателей, заинтересованных данной темой. Исследовательская работа имеет выраженную практическую направленность, так как внедрение 3D моделирования (на примере программы 3ds MAX) в учебный процесс повышает эффективность обучения (в школе и дома), обогащает детей знаниями в области технических дисциплин.

Обучение основам трехмерного моделирования предполагает освоение пяти этапов создания объекта:

Геометрия. Комплекс приемов включает расчет размеров и построение форм, а также техники вращения, выдавливания, наращивания, полигонального моделирования.

Текстуры. Эта часть подготовки напрямую влияет на реалистичность объекта печати. Правильное текстурирование позволяет добиться невероятного эффекта.

Освещение. Является одним из самых сложных в техническом плане этапов. От выбора точки наблюдения, уровня яркости, резкости, глубины теней зависит целостное восприятие модели.

Визуализация. Процедура рендеринга отвечает за применение различных спецэффектов, детализацию и мелкую проработку компонентов. Также на данной стадии уточняются и корректируются настройки 3D-визуализации.

Постобработка. Специальные материалы, приемы и техники позволяют добиться максимального эстетического результата.

Для проектирования требуются знания в математике, физике и программировании, поэтому обучение является еще и стимулом к углубленному изучению этих предметов. Ученики старших классов и студенты, причем как технических, так и гуманитарных специальностей, могут реализовать свои задумки в специализированном программном обеспечении, а затем воплотить их с помощью 3D принтера. Кроме того, в свободном доступе в интернете уже имеется множество различных моделей, которые можно использовать на свое усмотрение, изменять и дополнять. Однако, для создания уникальных объектов все же потребуется обладать специальными навыками 3D моделирования и умение работать в программной среде 3Ds Max и AutoCAD.

Технологии и рынок 3D-моделирования сегодня развиваются активно как никогда, разработчики предлагают все более точные программы моделирования. Моделирование широко применяется в медицинских, инженерных, архитектурных факультетах ВУЗов.

Печать является завершающим этапом в разработке объекта. История этого явления началась свыше 20 лет назад в США, где было изобретено послойное создание объёмных объектов из фотополимеризующихся композитных материалов. Эта технология получила название стереография. В процессе развития появились методы трехмерной печати моделей из других материалов.

Стоит отметить, что модели, полученные 3D-печатью, используют как для изучения точных, так и гуманитарных наук. К примеру, компания Makerbot Academy разработала набор программных продуктов, позволяющих создать в 3D модель египетской пирамиды в Гизе.

Даже самые лучшие дешёвые 3D–принтеры потребительского уровня способны печатать объекты, размеры которых не превышает размера буханки хлеба, а более дешевые модели обладают ещё более скромными возможностями: обычно пространство для печати измеряется несколькими сантиметрами для каждой из сторон. Однако такие принтеры способны создавать объекты удивительной прочности, гладкости и чёткости.

В качестве принтеров начального уровня для обучения в школах и ВУЗах предлагается закупать FDM 3D–принтеры. Ценовой диапазон: 65.000 – 300.000 тенге.

Это самые дешевые 3D–принтеры, которые представлены простыми моделями, эти модели рекомендуются в качестве лучших 3D–принтеров из бюджетных вариантов. Процесс печати основан на моделировании методом послойного наплавления FDM (Fused deposition modeling). Пластиковая нить плавится, а затем наносится тонкими слоями, создавая модель. Бюджетные принтеры оснащаются одним соплом для выдавливания нити. В последнее время все чаще появляются SLA DLP принтеры, которые очень скоро сравняются по стоимости с FDM.

Достоинства: низкая стоимость, простые принтеры являются идеальным вариантом для первоначального знакомства с процессом 3D–печати. Они, как правило, сравнительно просты в установке и настройке.

Основные характеристики и расходные материалы: большинство принтеров этого типа обладают базовым программным обеспечением, но некоторые поставляются вообще без какого-либо программного обеспечения, и тем самым заставляют вас искать решения с открытым исходным кодом. В процессе печати обычно используются 1,75 миллиметровая нить, которая широко доступна в богатом цветовом ассортименте в виде катушек [2].

На сегодняшний день уже во многих казахстанских школах активно вводят дополнительные занятия по моделированию и это правильно [2]. Очень важно с малых лет детей учить развивать воображение, которое будет помогать в дальнейшем изучении таких предметов как математика, геометрия, черчение, технология.

Изучение трехмерной графики в школах возможно и крайне полезно для ребят. Причем, многим из школьников это интересно, они стремятся осваивать эти технологии. Ведь 3D — это не только моделирование, визуализация, анимация и трехмерная печать. Но и технологии дополненной реальности, есть трехмерные тренажеры, симуляторы, трехмерное видео. Все это можно изучать, а еще лучше создавать в школе.

Компьютерное 3D моделирование может стать более эффективным школьным предметом обучения. Курс моделирования отличается значительной широтой, максимально использует метапредметные связи информатики, с одной стороны, и математики, физики, биологии, экономики и других наук, с другой стороны. Чтобы получить полное научное объяснение, развить свои творческие способности, стать востребованными специалистами в будущем, учащиеся должны овладеть основами компьютерного 3D моделирования, уметь применять полученные знания в учебной и профессиональной деятельности.

Внедрение 3D моделирования в учебный процесс обращено на достижение следующих целей:

– изучение знаний об важнейших методах геометрического моделирования и отраслях применения.

– овладение умением строить трехмерные модели, изображать полученные результаты;

– формирование познавательной активности учащихся; творческого мышления; опыта применения технологических знаний и умений в самостоятельной деятельности на практике;

На сегодняшний день нехватка квалифицированных специалистов и педагогов [4], [5] на предприятиях становится критической. Технические вузы, стремясь быть конкурентоспособными, постепенно переходят на обучение современным информационным технологиям. Но мировой опыт показывает, что интерес к профессии и первые навыки должны прививаться еще в школе.

В Казахстане в одной из школ Нур-Султана в 2016 году также появилась студия 3D печати, оборудование было передано школе первым президентом Назарбаевым, активно развивается направление мастер-классов по робототехнике и 3D печати в сельских школах [6].

Проблема недостаточной технической обеспеченности учебных заведений тормозит внедрение курсов по изучению трехмерных технологий, однако она постепенно решается за счет меценатов и государственных закупок. Можно с полной уверенностью утверждать, что специалисты по 3D-моделированию в будущем станут востребованными не только в сфере IT, но и в науке, промышленности, медицине и других областях. Поэтому уже сейчас необходимо развивать обучающие программы, дабы обеспечить соответствие отечественного образования мировым современным стандартам.

На сегодняшний день существуют готовые образовательные программы и комплекты оборудования для изучения основ 3D печати, специальные компании занимаются подготовкой педагогов в этом направлении. Появляются государственные программы, направленные на поддержку людей, заинтересованных в развитии трехмерных технологий.

Используя 3D технологии, преподаватели и учителя получают мощный инструмент, позволяющий ускорить понимание сложных понятий и принципов учащимися. Трехмерное моделирование дает возможность систематизировать большие объемы информации и перевести их в более удобный и наглядный вид.

Учащиеся более охотно и с неподдельным интересом осваивают знания по новой специальности. Использование новых технологий повышает мотивацию к обучению. 3D-печать доступна для людей всех возрастов:

– ученики младшей и средней школы знакомятся с технологиями, изучая азы в режиме игры;

– старшеклассники и студенты получают основы современных профессий в сверхтехнологичных отраслях, реализуют свой творческий потенциал, развивают инженерное мышление.

Полученные при трехмерной печати изделия можно потрогать, оценить, провести работу над ошибками, понять, что было сделано правильно, а какую часть проекта необходимо скорректировать. Студенты-проектировщики, дизайнеры, архитекторы и инженеры на практике видят прототипы своих разработок, могут провести их испытания. Историки и археологи создают предметы и артефакты, реконструируют исторические события и места с помощью 3D-печати.

В Брянском государственном университете имени академика И.Г. Петровского [7] была проведена сравнительная оценка качества отдельных этапов учебных занятий, осуществляемых при подготовке и непосредственно выполнению лабораторных занятий по учебным дисциплинам «Моделирование технических устройств» и «Машиностроение», методические указания к которым были представлены в электронном виде и иллюстрированы графикойв виде плоскопроекционных (2D) и объемных (3D) изображений (см. рис. 1) приведены в таблице.

а)                                                                                   б)

Рисунок 1. Компьютерные 2D (а) и 3D (б) модели иллюстративного материала в методических указаниях по выполнению лабораторных работ

Результаты исследований показали, что обучение с использованием анимации и другой графической информации позволяет:

улучшить запоминание информации на10%;

улучшить восприятие (понимание) информации на30%;

увеличивает вовлеченность обучаемого в процессобучения;

до 50% уменьшает времяобучения;

использование изображений позволяет увеличить эффективность процесса обучения до89%;

анимации позволяют существенно улучшить восприятие данных по сравнению со статистическимиизображениями.

Приведенные данные подтверждают целесообразность использования объемных 3D моделей в учебном процессе. Резкое повышение познавательного интереса наблюдается в начале семестра. По мере обучения студенты постепенно привыкают к первоначально необычным для них изображениям и познавательный интерес снижается, но наличие познавательного интереса, большей наглядности и информативности объемных изображений способствуют повышению эффективности процесса обучения

В рамках дипломной работы 2017г. в Карагандинском государственном техническом университете была выполнена работа по наглядной иллюстрации трехмерного моделирования по теме: Автоматизация и проектирование трехмерного объекта «Железнодорожный вокзал». Результаты приведены на рисунках.

Рисунок 2. Движение скоростного электропоезда «Тальго-Тулпар»

Рисунок 2. Наглядный показ погрузки зерна и угля в вагоны поезда

Рис. 3. Доставка строительных материалов на объект

В Европе 3D-оборудованием активно пользуются в школах, колледжах и ВУЗах. Например, в итальянском университете SISSA (Триест) относительно недавно появился профессиональный принтер от компании 3D Systems. Это позволило упростить процесс создания необходимых для исследований деталей, конструировать высокоточные модели, даже с движущимися внутри деталями.

В Берлинском техническом университете студенты изучают преобразование реальных объектов в 3D с максимальным сохранением реальных параметров и точностью. Ведется работа над созданием программного и технического обеспечения для адаптации любого дизайна под трехмерную печать [8].

В Кембриджской средней школе действует экспериментальная программа, согласно которой ученики решают реальные практические проблемы с помощью коллективной работы и 3D-печати [8].

В России, ввиду высокой стоимости, 3D-технологии используются не очень широко и чаще всего на уровне «кружков» и спецкурсов. Один из таких, под названием «Школа одарённых», действует при Тюменском государственном университете. В Астраханском инженерно-строительном институте открыт Региональный школьный технопарк, который привлекает детей со всей области к современной робототехнике и дизайну [8].

В Москве, Санкт-Петербурге и других крупных городах существуют хакспейсы – творческие пространства для детей и взрослых, увлеченных современными технологиями. Для школьников ежегодно проводятся всероссийские олимпиады по 3D технологиям.

Лучшим университом по информационным технологиям в мире по праву считается Массачусетский технологический институт, который находится в пригороде Бостона, штат Массачусетс, США. Одним из известных выпускников Массачусетского института в области трехмерного моделирования является  Джером Леттвин, который разработал систему , позволяющую конвертировать магнитно-резонансную томографию в 3D печатать физической модели[8].  Подведя итог, хотелось бы лишь сказать, что проникновение 3D моделирования во все большие сферы повлечет за собой рост спроса на квалифицированных специалистов в данной области.

Осознавая это, наиболее прогрессивные образовательные учреждения мира, такие как Экстерский университет, техническая средняя школа Стейтен-Айленда и Массачусетский технологический институт, сделали ее важным элементом учебной программы.

Список литературы:

1. Дейнеко А.С. ВНЕДРЕНИЕ 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС: научно-исследовательская работа, 2017.— 20 с. https://school-science.ru/3/4/33149
2. https://3dlife.kz/?gclid=Cj0KCQiA_rfvBRCPARIsANlV66NeKIkm29ccrydPTVyC5WjdTDSkekQji82PEY17R2pi1QG_yT6W_BkaAhpREALw_wcB
3. https://24.kz/ru/news/obrazovanie-i-nauka/item/262165-smart-shkola-otkrylas-v-aktau
4. https://informburo.kz/novosti/molodye-uchitelya-ne-idut-rabotat-v-shkoly-nur-sultana-bazovyy-oklad-35-tysyach-tenge.html
5. https://bilimdinews.kz/?p=52134
6. (https://ru.sputniknews.kz/regions/20190220/9356945/selo-shkola-informatika-kostanaj.html)
7. Татаринцева Т.И., Селезнев В.А., Жемоедова Н.Л. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ НА ЗАНЯТИЯХ ПО ИНЖЕНЕРНОЙ ГРАФИКЕ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 6.; URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=11360
8. https://shop.zanimatica.ru/stati/3d-tekhnologii-v-obrazovanii