Возможности использование 3D технологий в преподавании физики, как инструмента для развития инженерных компетенций.

Возможности использование 3D технологий в преподавании физики, как инструмента для развития инженерных компетенций.

Наука — не предмет чистого мышления, а предмет мышления, постоянно вовлекаемого в практику и постоянно подкрепляемого практикой. Вот почему наука не может изучаться в отрыве от техники.

Джон Десмонд Бернал

«Образование в ближайшие годы станет главным приоритетом России. Мы прекрасно понимаем, что технологии создает и использует человек. Именно талант исследователя, квалификация инженеров и рабочих являются важнейшим условием конкурентоспособности экономики и страны в целом, поэтому считаю инженерное образование тем самым, на что мы должны обратить внимание в ближайшие годы", — сказал В.В. Путин на пленарном заседании ПМЭФ.

Нехватка инженерных кадров в настоящее время в России действительно является серьезной проблемой  для развития страны. Готовить инженерные кадры необходимо с самого раннего возраста. Огромное  значение в работе инженера-конструктора  имеет способность к пространственному воображению. В настоящее время для творчески работающего педагога открываются огромные возможности. С появлением в школах робототехнических комплексов, 3D принтеров и сканеров, инженерных конструкторов возникла необходимость в организации дополнительных занятий, которые бы дополняли содержание учебных предметов и позволяли провести их интеграцию. 

В соответствии с выбранным курсом и введением новых образовательных стандартов  ФГОС второго поколения мы должны подготовить выпускника с достаточно широким мировоззрением и видением,  способностью конструирования. Современному инженеру необходимо находить и использовать оптимальные средства, предвидеть результаты своей деятельности, что, в целом, и составляет сущность технологической культуры. Будущие инженеры должны уметь материализовать свои идеи. В наше время для этого применяют технологии 3d моделирования, 3D печати, лазерной резки, а так же учащиеся должны уметь применять полученные ими теоретические знания по предметам на практике. Именно эти требования и легли в основу курса составленного для инженерного класса "Прототипирование физических моделей".  Программа составлена на основе стандарта образования ФГОС второго поколения, стандартов CDIO ( международный стандарт проектно-ориентированного образования), стандартов Junior Skills (стандарта ранней предпрофильной подготовки школьников) направлена на развитие инженерных компетенций и  готовит учащихся к участию в чемпионатах Junior Skills, олимпиаде 3D моделирования и других мероприятиях.

 Приведем примерное описание программы.

Курс предназначен для тех, кто желает изучать физику с использованием новых информационных технологий, трехмерного моделирования и 3D печати. Это позволяет учащемуся осмыслить физические задачи как объекты или явления физической реальности, понять их как модели, построить эти модели, сформировать творческое и конструктивное мышление.

В качестве инструмента для развития такого рода мышления мы рассматриваем 3D моделирование. Трёхмерная графика имеет широкое применение в различных областях таких,  как инженерно - технические  расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование физических объектов и процессов. С использованием трехмерной графики осуществляется возможность создать копию конкретного предмета, разработать образ вымышленного, не существующего в реальности объекта. 

Данная программа имеет выраженную практическую направленность. Одновременно развиваются межпредметные связи физики, математики, черчения,  информатики, конструирования, технологии обработки материала,  так  знания, полученные на этих уроках позволяют решать учащимся    экспериментальные физические задачи.

Курс  помогает ребенку сделать шаг к профессиональному самоопределению, а также развить пространственное воображение, которое поможет учащимся в изучение таких школьных предметов как стереометрия, физика, химия, создавать сложные пространственные геометрические фигуры, молекулярные соединения, моделировать астрономические объекты, молекулярную физику, простые механизмы,  углубит знания в области физики и технике.

Содержательную часть курса составляют следующие модули:

1. Моделирование как метод познания.

Системный подход к окружаю­щему миру. Задачи, решаемые с помощью моделирования. Отличие модели от натурной модели и словесного (литературного) описания объекта. Основные этапы моделирования: постановка задачи, формализация задачи, разработка модели, анализ результатов моделирования.

2. Технология 3D моделирования.

Знакомство с современными САПР системами, 3D модели и способы их получения, основы моделирования в программе "КОМПАС", создание чертежей типовых деталей и объектов, 3D моделирование, принципы построения и редактирования трёхмерных моделей, разработка простейших чертежей деталей и узлов, создание сборки моделей, принципы работы 3D принтеров, печать моделей, подбор и обработка материала.

3. Построение и исследование физических моделей.

- атомы и молекулы, кристаллические решетки разных веществ, модель Солнечной системы, создание солнечных часов,  оптические иллюзии (объемный треугольник), построение Архимедовой спирали, создание гребных винтов, петля Нестерова, шатунные механизмы,   двигатели (ДВС, Стирлинга), пружиномоторная машина.

4. Защита индивидуальных и групповых проектов.

В ходе реализации программы одним из методов обучения является контекстный метод, который предполагает выстраивание отношений между конкретным знанием и его применением, так же используются метод проектов (при усвоении и творческом применении навыков и умений в процессе разработки собственных моделей), проблемный - постановка проблемы и самостоятельный поиск её решения обучающимися, частично - поисковый.

Занятия проводятся в  групповой, командной форме, в динамических парах. Такая форма проведения занятий выбрана не случайно, современная концепция инженерного образования строится на развитии у личности не только Hard Skills (профессиональных качеств), но Soft Skills (коммуникативных, управленческих навыков, умение работать в команде).

Предполагаемый срок реализации программы - 3 года. Занятия проводятся 1 раза в неделю по 2 часа. Итоги планируем подводить в виде защиты индивидуальных или групповых проектов обучающихся. Данная форма оценки итогового результаты выбрана не случайно, проектная исследовательская деятельность учащихся прописана в стандарте образования ФГОС, каждый ученик должен осуществить защиту проекта, как один из видов итоговой аттестации.

Какие результаты нам дает изучение курса?  В результате обучения учащиеся должны освоить основы трехмерного моделирования, способы создания 3D моделей, конструктивные особенности различных моделей, сооружений и механизмов, научится применять знания полученные на математике, физике для построения моделей, а так же расширить и углубить свои предметные знания. Научиться работать с дополнительной литературой, с журналами, с каталогами, в интернете, самостоятельно решать технические задачи в процессе моделирования. Закрепление математических знаний, поскольку при моделировании без этих знаний никак, применение теоретических знаний физики на практике, развитие навыков чтения технической документации, так как  теоретические навыки черчения закрепляются на практике. Широкие возможности курс представляет для личностного роста учащихся. Развитие  познавательных интересов, повышение своего образовательного уровня и продолжению обучения с использованием средств и методов  ИКТ, возможность использовать полученные знания в процессе обучения к другим предметам и в жизни.

Краткое описание документа:

Нехватка инженерных кадров в настоящее время в России действительно является серьезной проблемой для развития страны. Готовить инженерные кадры необходимо с самого раннего возраста. Огромное значение в работе инженера-конструктора имеет способность к пространственному воображению. В настоящее время для творчески работающего педагога открываются огромные возможности. С появлением в школах робототехнических комплексов, 3D принтеров и сканеров, инженерных конструкторов возникла необходимость в организации дополнительных занятий, которые бы дополняли содержание учебных предметов и позволяли провести их интеграцию. В соответствии с выбранным курсом и введением новых образовательных стандартов ФГОС второго поколения мы должны подготовить выпускника с достаточно широким мировоззрением и видением, способностью конструирования. Современному инженеру необходимо находить и использовать оптимальные средства, предвидеть результаты своей деятельности, что, в целом, и составляет сущность технологической культуры. Будущие инженеры должны уметь материализовать свои идеи. В наше время для этого применяют технологии 3d моделирования, 3D печати, лазерной резки, а так же учащиеся должны уметь применять полученные ими теоретические знания по предметам на практике.