Как преподавать САПР?

Вопрос обучения САПР всегда остается актуальным, без его обсуждения не обходится ни одна конференция. Редакция isicad обратилась с вопросами по этой теме к людям, занимающимся обучением САПР профессионально – преподавателям ВУЗов. Некоторые из них занимаются этой деятельностью на 100% основе, другие - совмещают преподавание с работой в компаниях, разрабатывающих ПО САПР. В «заочном» круглом столе приняли участие:

• Владимир Талапов, заведующий кафедрой архитектурного проектирования зданий и сооружений Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин)
• Алексей Виноградов, старший преподаватель кафедры газодинамических импульсных устройств Новосибирского государственного технического университета
• Антон Васильев, преподаватель кафедры теории и систем автоматизированного проектирования механизмов и машин (ТММиСАПР) Национального технического университета «Харьковский политехнический институт» (НТУ «ХПИ»).
• Александр Щеляев, менеджер по маркетингу и продажам компании «ТЕСИС»…
• Владимир Малюх, директор по инженерному консалтингу компании «ЛЕДАС», по совместительству - преподаватель кафедры автоматизации физико-технических исследований Новосибирского государственного университета.

1. Стоит ли студентов-первокурсников учить сразу мощным профессиональным пакетам, или имеет смысл «курс молодого бойца» с использованием пакетов легкого, но быстро осваивоемого класса, с последующим переходом (на 2-3 курсах) на системы среднего и тяжелого класса?

А. Щеляев: Надо плясать от конечной цели и смежных дисциплин, чтобы знания выдаваемые студенту при изучении CAD-системы не забегали вперед смежных дисциплин.

Если есть заказ на студентов от предприятия, то предприятие само говорит, что им нужно и там всегда идет некий базовый курс в стиле «эскиз-деталь-сборка-документация». Любая дальнейшая специфика свойственна конкретному предприятию и эта специфика постигается только на предприятии. В таком разрезе, разницы между тяжелой системой и легкой системой не существует. Этот изучаемый базовый функционал на 99% одинаков. А если нет разницы, то зачем усложнять?

Если же речь идет просто об абстрактном современном образовании, то в первую очередь нужно учить основам трехмерного моделирования без привязки к какой-либо системе. Да, неизбежно привязка к системе будет, т.к. все равно будем педагогировать на базе какой-либо системы. Но изначальная идея здесь - учить общим основам моделирования, которые основаны на принципах мышления человека. А они гласят, что любой сложный объект можно разложить на структуру более простых объектов: сборку на детали; деталь на набор операций; операцию на эскизы; эскиз на набор кривых. И, разложив на составные части, начинаем постигать взаимосвязи и его устройство. Здесь можно увидеть, что учим определенному образу мышления.

А. Виноградов: Интересный вопрос. Ранее, я полагал, что «курс молодого бойца» необходим, т.к. легкие системы позволят меньше времени тратить на изучение инструмента, а больше на предметную деятельность. В настоящее время, ситуация существенно изменилась: 1) Значительно выросла компьютерная грамотность абитуриентов. Ликбез больше не нужен. Все 100% студентов владеют мышью, клавиатурой и понимают, что такое кнопка на экране. Все видели 3D графику. 2) Интерфейсы средних CAD (как SolidWorks, так и SolidEdge) стали значительно понятнее, методики обучения улучшились.

В результате, нет какого-либо отторжения. 3D моделирование студентами усваивается лучше, чем проективная геометрия.

Поэтому, на мой взгляд, вопрос смещается в область потребностей рынка труда. Дело в том, что человек, освоивший проектную работу в стиле средних и тяжелых систем, с большим трудом переходит на легкие. Задача же высшей школы подготовить востребованного специалиста, который сам будет адаптироваться к различным условиям. Востребованность легких CAD на рынке говорит о необходимости и таких навыков.

А. Васильев: На данный момент практически уже без разницы. Интерфейс и базовые подходы отличаются не слишком. Оба варианта имеют свои плюсы и минусы.

Случай поэтапного изменения программ, подходит для тех случаев когда студентов изначально готовят под несколько систем, например чтобы было проще с дальнейшим трудоустройством.

У нас на кафедре исторически сложилось, что на младших курсах идет SolidWorks, на старших Pro/E. В последние пару лет, пытаемся осилить NX, но пока в рамках курсовых дипломных.

В. Малюх: Я убежден, что начинать нужно обязательно с простых систем, возможно, это нужно делать еще в школе. В мои школьные годы был даже такой предмет «Черчение», вот его (может быть факультативно) стоило бы реинкарнировать в виде «Компьютерной графики», на базе простых пакетов типа SketchUp. В вузе я бы тоже не бросал студентов в первом же семестре на амбразуры SolidWorks, Inventror и, тем более, NX и CATIA. Первый-второй семестр вполне можно обойтись системами попроще – Rhino 3D, Space Claim, КОМПАС-LT, для 2D – AutoCAD LT или его клоны, тем более, что их нынче в достатке.

2. Нужно ли давать студентам теоретический курс, разъясняющий основы устройства САПР, виды обеспечения, классификацию и т.д. и т.п., или достаточно практического освоения приемов работы в конкретных системах?

А. Щеляев: Здесь хорошо бы определиться с терминологией. САПР или CAD? Первое понятие всеобъемлющее и специфичное для каждой отрасли. В итоге получится некий а-ля фундаментальный курс, который будет проблематично применить в практике и годится больше для теоретического интереса отдельных специальностей.

Если CAD, то здесь, на мой взгляд, нужно прежде всего показать студентам, что за красивой картинкой на экране стоит конкретная математика со своими особенностями. Про эти особенности желательно знать, т.к. в настоящее время у нас в стране набирает обороты интерес к дисциплине контроль качества геометрии, которая на западе местами уже давно является рутиной. И в рамках этой дисциплины очень полезно знать внутреннее устройство геометрического ядра, особенности хранения данных, особенности описания геометрических примитивов и топологии. И как все это объединяется с теми инструментами геометрического моделирования, которые имеются в CAD-системе. Т.к. учеба нацелена на то, чтобы студент как можно реже приходил к ошибочному решению, то знать природу появления ошибок важно.

А. Виноградов: Такой курс необходим. Современные облегченные интерфейсы приводят к тому, что студенты перестают адекватно воспринимать компьютерную модель. Они настолько отождествляют ее с реальностью, что ничего не могут сделать, когда отличия проявляются. Знания о САПР, как системе, о видах обеспечения и их необходимости (особенно организационного и методического обеспечения) им просто взять не откуда. В то же время, студентов, особенно второго уровня, мы обязаны готовить, как потенциальных руководителей коллективов. Более того, такой курс должен быть шире САПР и давать представление о всех информационных системах предприятия и, особенно, непосредственно касающиеся работы инженера. Этот курс может быть продолжением курса «Информатика», развитие его раздела «Прикладное программное обеспечение».

А. Васильев: 2. и 3. во многом пересекаются, потому отвечу совместно.

Для этого САПР должен сопровождать все основные дисциплины (Детали машин, Сопромат, ТММ, Начертательную геометрию и инженерную графику) для увеличения практического опыта, но и необходимо, чтобы был отдельный предмет, в котором хотя бы рассказывается о том, что сейчас делается в мире.

Предпосылка: В данный момент на наших предприятиях с системами автоматизированного проектирования очень плохо. Если CAD часто есть, CAM/CAPP тоже не редко, то с CAE, RE, и многими другими триграммами гораздо хуже. Нет не только понимания, что это нужно, но и знания что это вообще есть. Для того чтобы сейчас перебороть эту систему выпускаемые специалисты должны быть не только хорошими в конкретном направлении, но и знать много чего около.

У нас такая информация дается на первом курсе в рамках предмета «Введение в специальность» (обзорно) и дисциплины «Основы автоматизированного проектирования» весна третьего курса. К третьему курсу студенты уже достаточно много видели геом. моделирования, обычно успели «увидеть» CAE и написать первые макросы под SW. Стараемся чтобы задания были совместными. Часть заданий одновременно выполняются в рамках дисциплин фундаментальных и сапровских. Задания по теормеху на определение масс.инерционных характеристик, курсовик по ТММ, курсовик по ДМ, выполняются совместно с SW. Задачи решаемые в рамках теории упругости, теории колебаний и численных методов паралельно выполняются в Maple и CosmosWorks.

В. Малюх: Ну, собственно, моя книжка «Введение в современные САПР» является ответом – да, безусловно, нужно систематично объяснять, что такое САПР вообще, какие они бывают, как и почему так, устроены. Нужно с ранних лет прививать понимание, что САПР – это не только CAD, не только геометрическое моделирование и черчение, но и CAM/CAE/PDM и т.д и т.п. Я читаю подобный курс студентам – будущим разработчикам ПО, для них это уместно на старших курсах, а будущим инженерам, полагаю, целесообразно дать такой курс уже во 2-м или 3-м семестрах.

3. Нужен ли отдельный курс, посвященный именно САПР, либо – не будет ли целесообразнее и эффективнее ввести САПР как сквозную дисциплину, в рамках общеинженерных курсов, таких как «Детали Машин», «Теория машин и механизмов», «Сопромат», возможно даже «Теоретическая механика» и курсовых работ по специальностям?

А. Щеляев: Что же имеется в виду под САПР? :)

Видимо все-таки CAD. То бишь система геометрического моделирования. Конечно же будет эффективно ввести в учебный курс применения современного инструмента. Хотя бы на том основании, что это будет официально узаконено и изменены учебные программы под это. Ибо сейчас все зиждется на энтузиазме самих студентов, которые же в итоге от этого и справедливо страдают. Идеальным бы вариантом была ситуация, когда при помощи CAD системы закрепляются недавно полученные знания.

Например, те же производные из курса матана! Дал задание по сопряжению двух кривых и объясняешь наглядно, в чем отличие.

Или выполнил по ТММ задание и потом его повторил уже в CAD-системе. Т.к. CAD-система является элементом инструментария математического моделирования, то необходимо закладывать основу для ее грамотного использования. Те «рукопашные» методики, что описаны в методичках каждого ВУЗа в современную эру «plug-n-play» позволяют провести предварительный быстрый черновой расчет, чтобы последующую трудоемкую задачу математического моделирования решать наиболее кратчайшим путем.

Это хорошая проверенная практика и нужно смотреть на это именно в таком контексте – не зачеркивать старое, а использовать то, что наиболее подходит к решению конкретной задачи, и чтобы имеющиеся в арсенале средства дополняли друг друга.

А. Виноградов: См. п.2. Все эти дисциплины поддержат и разовьют практические навыки. Концептуальными вопросами и даже практическими приемами на этих дисциплинах заниматься некогда. Хватает проблем самих дисциплин.

В. Малюх: Думаю, что моменту изучения инженерных дисциплин студенты должны иметь определенные практические навыки компьютерного черчения и моделирования и использовать их для выполнения курсовых проектов типа ТММ и «Деталей Машин». Также, очень желательно, чтобы, например освоение компьютерного моделирования, входило в состав того же сопромата, наряду с классическим содержанием.

4. Насколько сегодня актуально преподавание и обучение приемам проектирования в 2D и на бумаге?

А. Щеляев: Как нас учили в свое время «конструктор мыслит на кончике карандаша». Убежден, что прежде всего учебное заведение должно «прокачивать» мозги студента и учить его ими пользоваться. Я всегда прошу студентов изложить свою идею на бумаге, проговорить все особенности и только потом допускаю к созданию трехмерной модели. Если нет понимания в голове, то дальше будет только хуже. С этой стороны я за старые методики. Кроме того, за «карандашом и ластиком» отрабатывается навык усидчивости и терпения. Грамотный специалист всегда был силен пятой точкой. ;)

С другой стороны: если посмотреть на первые два года обучения, то в его рамках есть целая гамма предметов, которые, по сути, прививают студенту навыки осмысленного пространственного мышления. Это Инженерная графика, Начертательная геометрия и Линейная алгебра с аналитической геометрией. В рамках курса «инженерки» мы честно вертим в голове детали и сборки. Но может случиться так, что мы от природы не обладаем развитым пространственным мышлением. Тогда на помощь приходит «начерталка», где особо не вникая в пространство, соблюдая набор правил, можно решать множество геометрических задач. Замыкает эту тройку аналитическая геометрия, где нам объяснят, что цилиндр, пересекший плоскость, создаст линию пересечения в виде двух прямых, окружности или эллипса. В итоге студент получает в свое распоряжение целый арсенал инструментов для мысленной работы с геометрией. Но ведь можно и сразу начать рисовать в 3D, и тогда пространственное мышление очень просто «прокачать» за не очень долгий срок.

А. Виноградов: Проектирование 2D - это вопрос к бизнесу, а не к ВУЗам. Мое мнение. На предприятиях вовсю чертят в 2D. Выходная документация в 2D на бумаге будет востребована еще очень долго, если не всегда. Учитывая это и то, что 2D - это основа 3D - начинать нужно с 2D построений и делать чертежи.

С бумагой вопрос отдельный. По-моему инженер должен уметь набросать эскиз. Это обычное дело на стадии проектирования, прикидок, когда совершенно не ясно, что нужно. Электронная бумага, пока, до нужной кондиции не дошла. Дойдет - эскизы будут делать на ней.

А. Васильев: Актуально. В бумаге исправления вносятся тяжелее, поэтому если студент выполняет (а не покупает) работу на бумаге это во многом его дисциплинирует. Часть заданий должны быть бумажными. Задания по фундаментальным знаниям. Как только народ осиливает, он с радостью и толком (причем гораздо большими, чем если бумаги вообще не будет) перейдет на более современные методы.

Кроме того, многие методы стандартные методы проектирования устройств (например, гидравлику) проще изначально разрабатывать в 2D, чем в 3D. Другое дело, что тут, как и в архитектуре с их BIM, необходима корректная связь между «упрощенными» вариантами проектирования в основе которых лежит 2D и эмпирические формулы, и трехмерным проектом с уточненными расчетами с помощью тех же современных CAE.

В. Малюх: Наверное, в объеме семестра – будет и полезно и достаточно почертить и на бумаге. Чтобы было затем понятнее, что именно автоматизируют САПР, а что делается самим человеком. Также, для последующего понимания, в чем разница между электронной моделью и чертежом.

5. Нужно ли давать студентам свободу выбора САПР, в которой они будут выполнять свои самостоятельные курсовые работы, или нужно регламентировать использование САПР по выбору ВУЗа или кафедр?

В. Талапов: Студент должен глубоко овладеть изучаемой программой. Поэтому лучше свободы не давать (даже если он уже что-то другое хорошо знает), тогда глубоко изучит то, что надо. На выполнение дипломной работы можно давать свободу.

Но в этом правиле всегда могут быть исключения. Например, студент давно и параллельно с учебой где-то работает в чем-то конкретном. Тогда целесообразнее пойти навстречу.

А. Щеляев: На практике этот вопрос лежит вне компетенции студента, т.к. завязан на формирование учебных планов, необходимость поддерживать мультбрендовый парк CAD-систем и т.д. и т.п. Завтра студент принесет файл на проверку, выполненный в какой-нибудь новой системе и никто не сможет ему помочь. На практике студенты работают в том, в чем их учат, и в этом вопросе, на мой взгляд, плюрализм мнений не к месту, как и в вопросе чем оснащать прочие лаборатории. :)

А. Виноградов: Выбор студента - только в пределах возможности обеспечить его ВУЗом. Вообще, выбирать и согласовывать должна выпускающая кафедра. Отклонения у студентов могут носить индивидуальный характер. Массовые отклонения возможны при наличии заказа на подготовку. С согласия студента.

Разнобой же приведет к неоправданной загрузке преподавателей, усложнению обмена опытом между студентами.

А. Васильев: Такая свобода в общем случае резко портит учебный процесс в его классическом понимании. Она порождает большое количество проблем с формализацией оценки, проверке выполнения, консультациях, и многих других моментов. В то же время отсутствие свободы выбора тоже не всегда хорошо. Также есть вопросы - даются ли САПР в рамках учебного процесса или изучаются самими студентами на свой страх и риск.

Если конкретные САПР изучаются в рамках учебного процесса, то более подходящим вариантом, наверное, является назначение кафедрой системы из уже изученных в учебном процессе, плюс поощрение, если студент все это задание, или часть выполнил в дополнительной системе. В этом случае система может быть любая на выбор студента.

Во втором случае, вопрос требований конкретных САПР является просто глупым. Если студент изучает нечто вне программы, чисто из собственного интереса, когда это не требуется и не поощряется, то он сам и определяет в чем ему работать.

В. Малюх: На младших-средних курсах, думаю, что решение должно быть унифицированным. На старших курсах и, тем более, при выполнении дипломной работы можно и нужно предоставить определенный выбор, обусловленный спецификой заданий, требованиями предприятий.

6. Насколько вам предоставляется возможным организация коллективных студенческих проектов, хотя бы на старших курсах?

А. Щеляев: Это прямо завязано на возможности руководителя проекта. Если не будет слаженного контроля над работой группы, то сроки выполнения растягиваются и, в итоге, или задание не выполняется или на защиту проекты выставляется посредственность.Среди моих наблюдений есть разные примеры как успешные так и не очень.

Из наиболее наглядных и ярких хотел бы отметить совместную защиту дипломного проекта по теме вертикально-взлетающего палубного истребителя, выполненного под руководством проректора МАИ Куприкова Михаила Юрьевича (в те годы доцента кафедры Проектирования самолетов). Кстати, одним из исполнителей был Артем Аведьян, еще недавно один из ведущих менеджеров компании Дассо Систем. Благодаря изначальному пониманию руководителем сути проекта работа была выполнена в срок и оценена комиссией на отлично (Олег Сергеевич Самойлович, будучи заведующим кафедры, лично возглавлял комиссию).

А. Виноградов: Нужны студенческие КБ. С реальными задачами. Тогда - возможно. Иначе - серьезные проблемы с исполнительской дисциплиной. Но, даже в этом случае, это не массовый, а индивидуальный подход. Пока нет крупного постоянного потребителя кадров, многие студенты просто получают общее образование. Их невозможно замотивировать настолько, чтобы они делали работу по проекту регулярно и к сроку.

А. Васильев: Это делать можно и нужно, хотя задача не из простых. Необходимы нормальные средства по разделению ответственности между теми, кто выполняет совместный проект. Потому как часто в группе работают отнюдь не все. Плюс это гораздо большая нагрузка на преподавателя.

В принципе у нас на кафедре с принципами командной работы студенты знакомятся в рамках курса «Объектно-ориентированного проектирования» в осеннем семестре второго курса. Это называется «Игровое проектирование». Далее в рамках курсовых стараемся не только поощрять совместную работу, но и некоторыми вещами обязывать. При выполнении курсового по «Деталям машин» которое идет параллельно с "основами параметризации" студенты обмениваются зубчатыми колесами. При сдаче экзамена по параметризации задание выдается на двух человек, их задача разделить задание на двоих, сделать свои детали по отдельности, а потом каждому сделать сборку. К этому их готовят с начала семестра, но экзамен все равно проходит под аккомпанемент ругательств.

В. Малюх: на старших, преддипломных курсах – просто обязательно, опыт коллективной работы необходим, трудно представить настоящую инженерную практику в одиночку. В идеале, конечно, организация студенческих КБ с реальными проектами, либо – ранняя стажировка на предприятиях.

7. Имеет ли смысл организовывать хранение, архивирование, контроль выполнения студентами курсовых и дипломных проектов с использованием PDM-систем на уровне факультетов и кафедр?

А. Щеляев: Если это облегчит бюрократию, то да. Вкупе с теми технологиями виртуализации, что сегодня доступны становится возможной концепция предоставлению учащимся широкого перечня услуг. Например, после поступления в учебное заведение, студенту заводится виртуальная машина, которая в течении всех лет обучения видоизменяется по своему содержимому. В соответствии с текущим учебным планом студенту предоставляются те или иные инструменты для выполнения учебных работ. А после окончания учебы данная виртуальная среда растворяется в никуда, откуда и пришла.

А. Виноградов: Это было бы замечательно! Сложности:

1) Отсутствие квалифицированных кадров (и средств на их оплату) по обслуживанию таких систем. Персонал, который обслуживает терминальные классы и поддерживает функционирование отдельных рабочих мест - не справляется.

2) Отсутствие понимания у руководства факультетов и кафедр отличия системы от отдельных мест.

3) Повышенные требования к надежности аппаратного обеспечения вступают в противоречие с действующей системой закупок.

4) Необходима увязка с действующими информационными системами уровня ВУЗа (это, скорее, задача второго этапа).

А. Васильев: Да. Да. Да. На уровне кафедр точно. Причем с младших курсов. Также как и электронная почта, чтобы люди привыкали с ранних этапов к правильной линии поведения. Это может внедряться даже без CAD, еще на информатике, основах программирования. Тогда к старшим курсам, у них уже будет достаточно опыта, для самостоятельной коллективной работы.

Насчет факультетов. С одной стороны точно также. С другой, то, что группы принадлежат одному факультету не всегда значит, что они занимаются смежными задачами, и очень часто не слишком дружат между собой. В случае PDM уровнем выше кафедры, возможны организационные проблемы, связанные с авторством, с оценками и пр. То, что PDM имеет возможность отслеживать эти связи, на деле в ВУЗах не всегда решает подобные вопросы. Кроме того разные кафедры часто используют разный набор. В данный момент у нас это организовано грубо. Через доменную систему и службы google. Надеемся осилить Teamcenter.

В. Малюх: считаю, что это должно быть просто обязательным. Во-первых, это дисциплинирует, упрощает контроль за ходом выполнения заданий. Во-вторых это дает практический опыт использования PDM, прививает определенную техническую культуру, которую выпускники затем принесут на предприятия – известно, что пока внедрение PDM представляет собой довольно хаотичный процесс и происходит со скрипом.

Что-то еще, что мы упустили?

1) Самая трудноразрешимая. Заочное обучение. Все лицензии действуют в пределах 50-мильной зоны вокруг вуза. Что тут делать? Переходить на бесплатное ПО? Есть интересные Российские продукты, но там несовместимость с их же коммерческой версией, которая, естественно, действует в самом ВУЗе. Все решаемо, но обмен опытом - не повредит.

2) Работа студента дома. Тут несколько проще. Возможны разные подходы. Начиная от «дома нужно отдыхать» и заканчивая выдачей персональных студенческих лицензий с регистрацией и т.п.

3) Значительная часть вузовских лицензий базируется на серверах, на которых она привязывается к оборудованию сервера (к его сетевой карте, обычно). И та от каждого программного продукта. Не только САПР. Возникают конфликты в ПО и маршрутизации. Но это еще ничего, а вот когда сгорает сетевая карта! Срок получения нового лицензионного файла 1-2 МЕСЯЦА! В прошлом году у нас сгорел сервер лицензий в конце декабря...

А. Васильев: Единственное что тут не отражено, так это широта понятия САПР и специфики специальностей, кафедр и регионов.

По САПР те же математические пакеты можно успешно использовать как эффективные средства автоматизации проектирования, как и многое другое ПО.

Конструкторские общемашиностроительные специальности, технологические, химические и многие другие имеют свои специфики. Например Химикам не так важны все эти CAD, зато без SCADA никуда. Технологам мех.обработки не нужны большие сборки, и так далее.

Почему речь идет о важности специфики: если конструкторская работа хорошо параллелится, то задача разработки техпроцесса уже гораздо хуже. Задачи расчетчиков параллелятся между людьми только если для единой геометрии нужно сделать разные по смыслу расчеты. Распараллелить задачу между студентами технологами, конструкторами, расчетчиками скорее всего не получится, даже при наличии нормального руководителя. Потому как это будут студенты принципиально разных кафедр и даже факультетов, и тут уже идет больше местная политика и подковерная борьба кафедр и факультетов, чем совместная работа студентов.

Расчетчикам от 2D часто нужно только умение читать чертежи, да считать примитивные схемы, конструктору специфических вещей без 2D часто не обойтись. Технолог, при составлении технологических эскизов также опирается на 2D.Конструктора реже связаны с зоопарком CAD, чем те же расчетчики.

Я уже молчу про специальности, в рамках которых учат разрабатывать САПР системы. А ведь такие есть и нужны.

По регионам, такой момент. Если в регионе есть одно-несколько предприятий, на которые исторически ориентировано обучение ВУЗа, то ВУЗ обычно пляшет под дудку предприятия, и что там как хочет это отдельный вопрос.

В. Талапов: Надо создавать студентам стимулы в виде выставок работ, конкурсов и т.п. на различных уровнях, чтобы они могли сравнивать себя с другими, обмениваться опытом и делать выводы. Наш опыт показывает. что это оказывает огромную поддержку обучению.